Охлаждении

Рис. 7-17. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

Рис. 7-18

0,1 0,2 0,4 0,81 2 4 8 К

Рис. 7-19

Рис. 7-18. Диаграммы состояния элементарных сверхпроводников первого рода для наиболее известных элементов

Рис. 7-19. Связь значения В_с0 и Т_с0 элементарных сверхпроводников первого родз

при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводни­кового электромагнита —при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина. Заштрихованная об­ласть ОРС1 на рис. 7-17 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой РС1 — нормальному состоя­нию материала. Если материал работает при температуре и магнит­ной индукции, соответствующих точке X на диаграмме состояния, то сверхпроводимость мо-

Таблица 7-4

Параметры некоторых сверхпроводкнксвых материалов

жет быть нарушена нагре­вом (переход через кривую РС1 в точке ¥), повышением магнитной индукции (пере­ход через кривую Р(} в точке Z), а также в общем случае и одновременным изменением как Т, так и В, что переводит материал в нормальное состояние (кривая РС1 пересекается в любой ее точке). Так как впервые ставшие извест­ными элементарные про­водники (чистые металлы) •Мели весьма малые значе­ния В_с0 (см. рис. 7-18 и табл. 7-4), попытки техни­ческого использования яв­ления сверхпроводимости были оставлены на не­сколько десятилетий, вплоть до открытия сверх-

Сверхпроводники	Тсй. К	ЙС0, Тл
Элементарные:
Иридий 1г	0,14	0,002
Алюминий А1 ....	1,20	0.010
Олово Бп	3,70	0,031
Индий 1п	3,40	0,030
Ртуть	4,20	0,046
Тантал Та	4,50	0,083
Ванадий V	5,30	0,130
Свинец РЬ	7,20	0,080
Ниобий 1Ч!Ь	9,40	0,195
Сложные:
Сплав 50 % КЬ +
+ 50 % Ті	8,70	12,000
Сплав 50 % КЬ +
+ 50 % 2т	9,50	11,000
Соединения:
Галлид ванадия \'3Оа	14,00	50,000
Станнид ниобия КЬзБп	18,00	22,000
N1*0,"8 (Аіо^СЄо^іО 0,21	21,00	41,000

проводников с высокими значениями В_с0(см. ниже). Как видно из рис. 7-18, а также из табл. 7-4, ме­таллы с более высокой Т_с0 имеют, в большинстве слу­чаев, и более высокую В_с0. Еще отчетливее это видно на рис. 7-19.

В

Рис. 7-20

Рис. 7-21

Рио. 7-20. Эффект Майснера—Оксенфельда: а — охлаждаемый шар из сверхпроводника в нормальном состоянии, помещенный в равномер­ное магнитное поле; 6 — при переходе материа­ла шара из нормального состояния в сверхпро­водящее магнитное поле выталкивается из шара

Рис. 7-21. Опыт В. К. Аркадьева с «висящим магнитом»

1 — магнит, 2 — чашка из сверхпроводникового ма­териала

альными

диамагнетиками, т. е. их

1933 г. немецкие фи­зики В. Майснер и Р. Ок- сенфельд сделали новое фундаментальное откры­тие: они обнаружили, что сверхпроводники при пе­реходе из нормального в сверхпроводящее со­стояние становятся иде- относительная магнитная проницаемость (i_r (см. стр. 14) скачком падает от конечных значений, для подавляющего большинства сверхпроводников, весьма близких к 1, до значения ц._г = 0. Поэтому внешнее магнит­ное поле не может проникать в сверхпроводящее тело (рис. 7-20); если же переход этого тела в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника. Этот эффект был продемонстрирован в 1935 г. В. К. Аркадьевым в его знаменитом опыте с висящим магнитом. Когда магнит 1 (рис. 7-21) опускают в чашку из находящегося в сверхпроводящем состоянии материала 2, этот магнит отталкивается от чашки и остается в урав­новешенном состоянии в воздухе, не касаясь чашки. Аналогично можно заставить сверхпроводящее тело висеть над поверхностью маг­нита. В 50-х годах нашего столетия были открыты новые сверхпровод­ники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверхпроводниковых металлов (сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками II рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверхпроводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние («фаза А. И. Шальни- кова») между нижним В_С1 и верхним В_с2 значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур Т < Г_с0. В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном на­пряжении сохраняется, т. е. р = 0, но эффект Майснера — Оксен- фельда—Аркадьева выражен не полностью, т. е. относительная маг­нитная проницаемость сверхпроводника ц_г > 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряжения в нем наблюдаются не­которые потери энергии и т. п. Кроме того, свойства сверхпровод­ников II рода в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. п.

Рис. 7-22. Диаграммы состояния сверхпроводника /т?

I

\Вс		£
Щ	и	ж
N		/ 2
	\		17

I рода — станнида ниобия ЫЬ₃5п (кривые / и 2) и в_сд^ сверхпроводника I рода — свинца РЬ (кривая 5) уд

Из чистых металлов к сверхпроводникам

2. рода относятся лишь ниобий 1\^ТЬ, ванадий д

• и технеций Тс. д-/

На рис. 7-22 представлена диаграмма со­стояния типичного сверхпроводника II ро- ю~2- да — интерметаллического соединения, стан­нида ниобия К^!Ь₃5п. Кривая 1 дает значения 10~³.

Д_с01, кривая 2— значения В_с02; заштрихована область промежуточного состояния. Для со­поставления здесь же приведена диаграмма состояния для типичного сверхпроводника I рода —свинца РЬ (кривая 3 аналогична диа­граммам состояния сверхпроводников I рода, изображенных на рис. 7-17 и 7-18).

Оказалось, что некоторые сверхпроводники II рода обладают не только сравнительно высокими значениями Т_с, но, что особенно важно, и весьма высокими значениями В_с. Это вызвало появление большого интереса к сверхпроводникам; в настоящее время проб­лема сверхпроводимости и ее технического использования является одной из наиболее актуальных проблем современной науки и тех­ники.

Для сверхпроводников II рода в табл. 7-4 в качестве В_с0 дано верхнее критическое значение В_с01.

Из результатов исследований последних лет в области сверх­проводимости важно отметить открытие того, что помимо понижения температуры появлению сверхпроводимости способствует и повыше­ние давления; у некоторых веществ, не переходящих при нормаль­ном давлении в сверхпроводящее состояние, удалось обнаружить сверхпроводимость при воздействии на вещество высокого гидроста­тического давления. Установлены даже сверхпроводящие свойства не только у веществ, являющихся при нормальных условиях про­водниками (прежде всего у металлов, сплавов металлов и интерметал­лических соединений), но и у полупроводников (например, у анти- монида индия 1п5Ь —см. стр. 263, который имеет температуру сверх­проводящего перехода Т_с около 5 К при давлении около 30 ГПа). В Институте высоких давлений Академии наук СССР открыта сверх­проводимость у серы (Т_с = 9,7 К) и ксенона (Т₀ = 6,8 К).

Помимо сверхпроводниковых электромагнитов, которые в на­стоящее время производятся в большом количестве и применяются дня самых разнообразных целей, можно отметить возможности ис­пользования сверхпроводников для создания электрических машин, трансформаторов и тому подобных устройств малой массы и габари­тов, но с высоким КПД; линий электропередачи весьма больших мощ­ностей на дальние расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр. Некоторые устройства памяти и управле­ния основываются на переходе сверхпроводника в сверхпроводящее Или нормальное состояние при изменении магнитной индукции (силы

тока) или температуры. Эффект Майснера—Оксенфельда—Аркадь­ева может использоваться в работающих практически без трения подшипниках с «магнитной смазкой» (взаимным отталкиванием вала и подшипника), для магнитной подвески вагонов сверхскоростного железнодорожного транспорта и т. п.

В настоящее время для изготовления обмоток сверх проводниковых электромагнитов и других технических целей применяются главным образом две группы материалов: 1) сравнительно легко деформиру­емые (дуктильные), из которых возможно изготовление проволок и лент (таковы, в частности, сплавы в системах Nb—Zr и Nb—Ti, а также чистый ниобий); 2) трудно поддающиеся деформациям из- за хрупкости (таковы, в частности, интерметаллические соединения типа Nb₃Sn и аналогичные ему). Провода из станнида ниобия обы­чно получаются пропусканием тонких ниобиевых лент через расплав­ленное олово с последующей термообработкой, при которой слой осевшего на ленте олова вступает в химическую реакцию с ниобием; такие ленточные провода обладают достаточной гибкостью. Часто сверхпроводниковые провода покрываются «стабилизирующей» обо­лочкой из меди или другого, обладающего высокими удельной элект­рической проводимостью и коэффициентом теплопроводности, ме­талла или сплава; это дает возможность избежать большого перегрева и повреждения сверхпроводника при нарушении сверхпроводимости в отдельных участках провода. Более того, весьма распространены многоволоконные провода, в которых большое число тонких, ните­видных сверхпроводниковых проволочек заключено в массивную матрицу из меди или бронзы; такие провода допускают значительно большую плотность тока, чем более толстые проволоки или ленты из того же сверхпроводникового материала.

Большинство известных сверхпроводников, даже и сверхпро­водников II рода, имеет все же весьма низкую температуру пере­хода Т_с. Поэтому устройства, в которых используется явление сверх­проводимости, обычно работают при охлаждении жидким гелием, что сложно и дорого. Было бы неплохо иметь сверхпроводники с Т_с выше температуры сжижения водорода (20,3 К) или, тем более, выше температуры сжижения азота (77,4 К). Совершенно исключи­тельные возможности дали бы материалы, сохраняющие состояние сверхпроводимости при нормальной или еще более высоких темпе­ратурах. Наиболее высокую Т_с0 из всех известных элементарных сверхпроводников имеет ниобий, а из всех широко применяемых — станнид ниобия Nb₃Sn. Имеются сведения о получении материалов (в частности, в системах Nb — Ge и Nb — Ge — Al) со значением Г_с0, превышающим температуру сжижения водорода, и к тому же с высо­ким значением В_с0. В настоящее время (из еще не внедренных в про­мышленное производство) сверхпроводниковых материалов наивыс­шее значение Т_со (около 23 К) имеет NbGe, а наивысшее значение В_с0 (около 60 Тл) — Gd_{0 2}PbMo₆S_e.

Поиски «теплых» сверхпроводников усиленно продолжаются. В частности, большой интерес имеет (пока не подтвержденное экспе­риментально) теоретическое высказывание акад. В. Л. Гинзбурга р том, что «металлический» водород (который предполагается полу­чить из обычного твердого водорода, имеющего температуру плавле­ния при нормальном давлении около 14 К, посредством воздействия на него чрезвычайно высокого гидростатического давления) может находиться в сверхпроводящем состоянии при температурах, равных десяткам и даже сотням кельвинов.

Теория сверхпроводимости исключительно сложна? В создание этой теории основной вклад внесли советские ученые — Л. Д. Лан­дау, Н. Н. Боголюбов, В. Л. Гинзбург, А. А. Абрикосов, Л. П. Горь­ков и другие, а также ученые зарубежных стран —Д. Бардин, Л. Купер, Д. Шриффер и другие. По современным представлениям в основе явления сверхпроводимости лежит образование связанных пар электронов («куперовских пар»); такая пара не может выделять энергию малыми дозами, так что обычные джоулевы потери мощно­сти, которые наблюдаются в металлах при нормальных условиях, здесь уже не имеют места. Разъединение ассоциированных в куперов- скую пару электронов при повышении температуры или магнитной индукции представляет собой нарушение сверхпроводимости, т. е. фазовый переход сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное. Отмечается глубокая аналогия в физической сущ­ности явления сверхпроводимости и явления сверхтекучести, от­крытого П. Л. Капицей у жидкого гелия-11 и теоретически обосно­ванного Л. Д. Ландау.

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все шире используется явление криопроводи­мости (прежнее название — гиперпроводимость), т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.

Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводи­мость — частный случай нормальной электропроводности металлоз в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но все же конечное значение р криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них, хотя эта плотность может быть все же гораздо выше, чем в обычных металлических проводниках при нормальной или повышенной температуре. Крио­проводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне р меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости (например, в сверх- проводниковых запоминающих устройствах). Не обнаруживаются при криопроводимости и другие, специфические для сверхпровод­ников явления, такие как эффект Майснера —Оксенфельда и др.

Применение криопроводников вместо сверхпроводников в элек­трических машинах, аппаратах и других электротехнических устрой­ствах может иметь свои преимущества. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота (вместо жидкого

МКдМ'М Рис. 7-23. Температурные зависи­

м ости р криопроводников

1 и V — медь; 2 и 2' — алюминий; 3 — бе­риллий (сплошные кривые относятся к осо­бо чистым металлам, а штриховые — к обычным проводникам — меди и алюми­нию). Стрелками отмечены температуры сжижения азота и водорода

гелия, который значительно дороже других хладагентов) упрощает и удешевляет выпол­нение тепловой изоляции ус­тройства и уменьшает расход мощности на охлаждение. Кроме того, в сверхпроводящем кон­туре с большим током нака­пливается большое количество энергии магнитного поля, рав-

и₂ 50 N,100 300К ^{ное 1Р12} Дж — индуктив­ность, Гн; I—ток, А). При случайном повышении температуры или магнитной индукции свыше значений, соответствующих переходу сверхпроводника в нормальное состояние хотя бы в малой части сверхпроводящего контура, сверх­проводимость будет нарушена, что приведет к внезапному освобож­дению большого количества энергии. Для криопроводящей цепи такой опасности нет, так как повышение температуры может повлечь за собой лишь постепенное, плавное увеличение сопротивления. Для того чтобы представить себе, сколь малым может быть удель­ное сопротивление криопроводника при рабочей температуре по сравнению с его удельным сопротивлением при нормальной темпе­ратуре, достаточно рассмотреть рис. 7-23, на котором в билогарифми- ческом масштабе показано изменение удельного сопротивления как функции температуры для двух практически наиболее важных проводниковых металлов —меди и алюминия, а также для берил­лия. Как видно, наибольший интерес для применения в качестве криопроводникового материала представляют собой: при темпера­туре жидкого водорода — алюминий, а при температуре жидкого азота —бериллий.

Таким образом, проблема выбора оптимального (т. е. имеющего при рабочей температуре наименьшее удельное сопротивление при наилучших других технико-экономических показателях) криопровод­никового материала сводится в основном к следующему: применить легко доступный и дешевый алюминий и получить наименьшее возможное для криопроводника значение удельного сопротивления, но пойти на использование для охлаждения устройства жидкого водорода, что все же требует преодоления некоторых затруднений

и, в частности, необходимости учета взрывоопасности водородо­воздушной смеси; или же применить более дорогой, дефицитный, сложный в технологическом отношении бериллий, но зато исполь­зовать в качестве хладагента более дешевый и легко доступный жидкий азот и гем самым уменьшить затраты мощности на охлаждение.

Во всех случаях для получения высококаче­ственных криопроводни­ков требуются исключи­тельно высокая чистота металла (отсутствие при­месей) и отсутствие на­клепа (отожженное со­стояние). Вредное влияние примесей (это ясно из сравнения графиков 1 с 1' и 2 с 2' на рис. 7-23) и наклепа на удельное сопротивление металлов при криогенных темпера­турах выражено значи­тельно более сильно, чем при нормальной температуре. Отношение р при температуре 300 К к р при 20 К для различных по чистоте материалов алюмини­евых проводов приведено в табл. 7-5.