Определение критической температуры высокотемпературного сверхпроводника
Основные экспериментальные факты проявления сверхпроводимости
(По монографии А. Роуз-Инс, Е. Родерик. Введение в физику сверхпроводимости. Мир,
с. 14-49, 67-74. 1972.)
Сверхпроводники I рода 2
Нулевое сопротивление 2
§ 1. Температура сверхпроводящего перехода 3
§ 2. Нулевое сопротивление 4
§ 3. Контур без сопротивления 5
§ 4 Сопротивление переменному току 7
Идеальный диамагнетизм 9
§ 1 Магнитные свойства идеального проводника 9
§ 2 Специфические магнитные свойства сверхпроводника 12
Эффект Мейсснера 12
Проницаемость и восприимчивость сверхпроводника13
§ 3 Поверхностные токи 14
Полый сверхпроводник16
§ 4 Глубина проникновения 17
Зависимость от температуры глубины проникновения18
Критическое магнитное поле20
§ 1 Намагниченность сверхпроводников 20
Неидеальный образец 21
Промежуточное состояние22
§ 1 Размагничивающий фактор 22
§ 2. Переход в магнитном поле при п 0 24
Сверхпроводимость II рода 25
Смешанное состояние 25
Высокотемпературные сверхпроводники 26
Техника эксперимента 27
Измерение магнитных свойств и Тк сверхпроводников 27
Определение Тс индукционным методом 27
Порядок выполнения лабораторной работы 28
Литература 29
Сверхпроводники I рода
Нулевое сопротивление
Электросопротивление всех металлов и сплавов понижается при охлаждении. Чтобы понять, почему это происходит, рассмотрим причины, вызывающие сопротивление. Ток в проводнике переносится электронами проводимости, которые свободно движутся внутри вещества. Электроны, конечно, обладают волновыми свойствами, и движущийся в металле электрон можно представить как плоскую волну, распространяющуюся в том же направлении. Металл имеет кристаллическую структуру, и его атомы образуют периодическую решетку, а плоская волна обладает свойством проходить через правильнуюпериодическую структуру, не рассеиваясь по другим направлениям. Следовательно, электрон способен проходить через идеальный кристалл без потери импульса в первоначальном направлении. Другими словами, если через идеальный кристалл пропустить ток (это значит сообщить электронам проводимости суммарный импульс в направлении тока), он будет распространяться без сопротивления. Однако любое нарушение периодичностикристалла будет рассеивать электронную волну и приводить к появлению некоторого сопротивления. Идеальная периодичность кристаллической решетки нарушается в результате двух причин. При температурах выше абсолютного нуля атомы колеблются и при этом смещаются на различные расстояния относительно их положения равновесия. Кроме того, посторонние атомы или дефекты,распределенные случайным образом, также нарушают идеальную периодичность. Тепловые колебания, а также любые примеси или дефекты рассеивают движущиеся электроны проводимости и вызывают появление электросопротивления.
Теперь понятно, почему при охлаждении металла или сплава его электросопротивление падает. Когда температура понижается, тепловые колебания атомов затухают и электроны проводимости рассеиваются реже. Сопротивление уменьшается линейно вплоть до температуры, равной примерно одной трети температуры Дебая, характеризующей данное вещество, после чего сопротивление изменяется как Т5.
Фиг. 1. Зависимость сопротивления металлов от температуры.
Для идеально чистых металлов, для которых движение электронов задерживается только тепловыми колебаниями решетки, сопротивление должно приближаться к нулю с понижением температуры до 0 К. Это нулевое сопротивление, которым бы должен был обладать гипотетический «идеальный» образец при охлаждении до абсолютного нуля, не является, однако, сверхпроводимостью. Любой реальный металлический образец не может быть идеально чистым и содержит некоторые примеси. Поэтому электроны рассеиваются не только в результате тепловых колебаний атомов решетки, но и на примесях, причем это рассеяние на примесях более или менее не зависит от температуры. В результате существует некоторое «остаточное сопротивление»0, (фиг. 1), которое сохраняется даже при самых низких температурах. Чем больше загрязнен металл, тем выше его остаточное сопротивление.
Фиг. 2. Исчезновение сопротивления сверхпроводника при
низких температурах.
Некоторые металлы, однако, обладают замечательными свойствами: при охлаждении их электросопротивление понижается обычным образом, но при достижении некоторой температуры (нескольких градусов выше абсолютного нуля) это сопротивление внезапно исчезает полностью (фиг. 2). Тогда говорят, что произошел переход в сверхпроводящее состояние х). Переход в сверхпроводящее состояние может произойти, даже если металл настолько загрязнен, что в другом случае должен был бы иметь большое остаточное сопротивление.