1.5. Надпровідники

Явище надпровідності було виявлено нідерландським вченим Х. Камерлінг-Оннесом в 1911році, коли в процесі дослідження електропровідності металів при температурі скраплення гелію (4,2 К) він установив, що опір кільця із замороженої ртуті різким стрибком падає до надзвичайно малого, біля 10^-25 Ом*м значення. Це в 10¹⁷ разів менше опору міді при кімнатній температурі

Речовини, що переходять у надпровідний стан називаються надпровідниками, а температура Т_с , при якій речовина переходить у цей стан, - температурою надпровідного переходу.

У наш час відомо близько 35 металів, які володіють надпровідниковими властивостями при «гелієвих» температурах, і більше тисячі надпровідникових сплавів і хімічних сполук. Ряд елементів проявляє надпровідні властивості при низьких тисках, наприклад, такі напівпровідники, як кремній, германій, селенів, сурма і т.д. Разом з тим такі метали як мідь, срібло, платина, золото та інші перевести в надпровідний стан не вдалося.

Явище надпровідності відповідно до квантової теорії виникає в результаті притягання електронів один до одного. Таке притягання можливе тільки в середовищі, що містить позитивно заряджені іони, поле яких послабляє сили кулонівського відштовхування між електронами. Притягаються тільки ті електрони, які беруть участь у процесі електропровідності. У результаті такого притягання електронів з протилежними напрямками імпульсів і спінів утворюють так звані куперовські пари. Вирішальну роль в утворенні цих пар відіграє взаємодія електронів з тепловими коливаннями решітки - фононами. Обмінна фононна взаємодія й викликає сили притягання між електронами. Електрон, що рухається серед позитивно заряджених іонів, електростатичними силами притягає до себе найближчі іони. У результаті такого зсуву іонів в околиці траєкторії електрона локально зростає щільність позитивного заряду. Другий електрон, що рухається у слід за першим, може притягатися областю з надлишковим позитивним зарядом. За рахунок непрямої взаємодії з решітками між першим і другим електронами виникають сили притягання. Другий електрон стає партнером першого – утворюється куперовська пара. При абсолютному нулі всі електрони зв'язані в пари. При підвищенні температури за рахунок теплової енергії відбувається розрив деякої частини електронних пар. Перехід речовини в надпровідний стан при його охолодженні відбувається в дуже вузькому діапазоні температур (соті частки градуса). Установлено, що порушення надпровідності відбувається не тільки при підвищенні температури, що перевищуюче значення Т_с, але також при виникненні на поверхні надпровідника магнітного поля з магнітною індукцією, що перевищує значення індукції переходу В_с. Причому для чистих надпровідникових металів (надпровідників першого роду) байдуже, чи створюється ця індукція струмом, що протікає по надпровіднику або зовнішнім джерелом магнітного поля. У надпровідників першого роду цей перехід відбувається стрибкоподібно, як тільки напруженість поля досягне критичного значення (рис.1.5).

Рис.1.5 - Діаграма стану надпровідника другого (криві 1 і 2) і

першого (крива 3) роду.

Надпровідники другого роду переходять з одного стану в інший поступово; для них розрізняють нижню Н_св1 і верхню Н_св2 критичні напруженості поля. В інтервалі між ними матеріал перебуває в проміжному гетерогенному стані, в якому співіснують нормальна й надпровідна фази. Співвідношення між їхніми обсягами залежить від напруженості поля. Надпровідниками другого роду в основному є інтерметалічні з'єднання й сплави. Із чистих металів до надпровідниками другого роду можна віднести лише ніобій, ванадій і технецій.

Критична напруженість магнітного поля для надпровідників першого роду становить близько 10⁵А/м, а для надпровідників другого роду значення верхньої критичної напруженості може перевищувати 10⁷А/м.

Слід зазначити, що особливістю надпровідників є те, що магнітне поле не проникає в товщу зразка. Силові лінії поля обгинають надпровідник. Це явище одержало назву ефекту Мейснера. Обумовлено воно тим, що в поверхневому шарі надпровідника виникає круговий незатухаючий струм, що повністю компенсує зовнішнє поле в товщині зразка. У результаті цього надпровідники є ідеальними діамагнетиками з магнітною проникністю, рівною нулю. Експериментально це підтвердив В.К.Аркад’єв, продемонструвавши дослід, коли постійний магніт висів у повітрі над кільцем з надпровідного матеріалу, в якому циркулювали індуковані магнітом незатухаючі струми.

Однак розподіл речовин за їхніми надпровідними властивостями на два види не є абсолютним. Будь-який надпровідник першого роду можна перетворити в надпровідник другого роду, якщо створити в ньому достатню концентрацію дефектів кристалічних решіток. Надпровідність ніколи не спостерігається в системах, в яких існує ферро- і антиферромагнетизм. Утворенню надпровідного стану в напівпровідниках і діелектриках перешкоджає мала концентрація вільних електронів. Але в матеріалах з великою діелектричною проникністю сили кулонівського відштовхування між електронами ослаблені, тому в деяких з них може спостерігатися явище надпровідності.

У цей час надпровідники знаходять застосування для виготовлення магнітних систем, що втримують плазму в реакторах керованого термоядерного синтезу, в магнітогидродінамічних (МГД) перетворювачах теплової енергії в електричну, як індуктивні накопичувачі енергії для покриття пікових потужностей. Застосування надпровідників в електричних машинах для створення обмоток збудження дозволяє виключити з машин осердя з електротехнічної сталі. Проводяться дослідження зі створення надпровідних ліній електропередачі на постійному й змінному струмах. Перспективним є створення надшвидкісного транспорту на магнітній подушці.