3.10 Физические основы применения явления сверхпроводимости в измерительных устройствах

(Методы нанотехнологий с использованием явления сверхпроводимости)

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К очень резко падает до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью. Для таллия, олова и свинца она равна соответственно 2,35 К; 3,73 К и 7,19 К. Впоследствии было открыто много других сверхпроводников.

К настоящему времени известно свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей градуса. В окрестностях критической температуры можно реализовать режим высокой нелинейности измерительного преобразования.

Температура, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, еще называется критической температурой перехода (). Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений.

Известные к настоящему времени температуры изменяются в пределах от 0,0005 K (Mg) до 23,2 К (Nb3Ge) и 39 К у диборида магния (MgB2). По состоянию на октябрь 2007 г. наивысшая температура, при которой наблюдалась сверхпроводимость, составляет = 138К (-135 °C) для керамического материала состоящего из таллия, ртути, меди, бария, кальция, стронция, и кислорода. На февраль 2008 г. наивысшую температуру удалось довести до=181К для вещества (Sn1.0Pb0.4In0.6)Ba4Tm5Cu7O20.

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температура обратно пропорциональна корню квадратному из атомной массыизотопа одного и того же сверхпроводящего металла.

При реализации явления сверхпроводимости сопротивление материала снижается приблизительно в раз. У сверхпроводников первого рода при изменении магнитного поля происходит скачкообразное изменение сопротивления, а у сверхпроводников второго рода – плавное.

В настоящее время известно две разновидности сверхпроводимости: низкотемпературная (НТСП) и высокотемпературная (ВТСП).

3.10.1 Свойства сверхпроводников

Помимо нулевого электрического сопротивления, второе принципиальное свойство сверхпроводников — полное выталкивание магнитного поля (эффект Мейснера).

Достаточно сильное магнитное поле при определенной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряженностью , которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего в нормальное состояние, называетсякритическим полем (). При уменьшении температуры сверхпроводника величинавозрастает.

Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением:

, (3.52)

где: — критическое поле при нулевой температуре.

Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока, с плотностью большей критической поскольку он создаёт магнитное поле, больше критического.

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Так, в отсутствие магнитного поля при температуре перехода скачкообразно изменяетсятеплоёмкость. При наличии магнитного поля изотермический переход из сверхпроводящего состояния в нормальное связан со скачкообразным изменением теплопроводности. Эти явления являются характерными признаками фазового перехода II рода.