4.4. Сверхпроводники и криопроводники.

Явление сверхпроводимости состоит в том, что сопротивление многих металлов и сплавов при охлаждении до некоторой критической температуры Т_кр, свойственной каждому из них, становится равным нулю. Это явление обнаружил в 1911 г. голландский учёный Коммерлинг-Оннес. Он впервые получил жидкий гелий (Т_кип = 4,12 К) и обнаружил, что у ртути при 4,2 К электрическое сопротивление падает практически до нуля.

Сверхпроводники представляют собой идеальные диамагнетики – они выталкивают из себя магнитное поле (Эффект Мейсснера) Сверхпроводимость – обратимый переход и она исчезает не только при превышении Т_кр, но и при достижении напряжённостью магнитного поля некоторого критического значения Н_кр.

Таким образом, сверхпроводимость в одном контуре можно разрушить магнитным полем тока, протекающего в другой цепи. На этом основана работа криотронов – устройств памяти. Однако необходимость поддерживать температуру с точностью до 0,01 К и значение времени переключения – порядка сотен микросекунд, ограничило развитие криотронов в микроэлектронике.

Явление сверхпроводимости объясняется тем, что в результате взаимодействия электронов образуются пары, в которых расстояние между электронами составляет порядка 10⁴ Å (10^-6 м). Эти пары электронов, так называемые Куперовские пары, способны к когерентному движению и описываются единой волновой функцией. Они не испытывают рассеяния на фононах, т.е. на областях когерентных колебаний кристаллической решётки. Поэтому влияние рассеяния на примесях, дефектах и тепловых колебаниях решётки на такое когерентное движение всех сверхпроводящих электронов пренебрежимо мало.

В настоящее время уже изготавливают сверхпроводниковые электромагниты, электрические машины, трансформаторы, линии электропередачи больших мощностей, волноводы, накопители энергии, работающие без трения магнитные подшипники и т.п. Работа всех этих устройств осложняется необходимостью поддерживать чрезвычайно низкие температуры, поэтому понятно стремление к получению материалов, проявляющих сверхпроводимость при более высокой температуре. Из металлических этим свойством обладают Nb₃Sn (18 К), германид ниобия Nb₃Ge (23 К), Nb_0,79(Al_0,75Ge_0,25)_0,21. В последние 20 лет интенсивно проводятся работы по изучению сверхпроводимости в керамических материалах, в которых Т_кр находится в области температур жидкого азота (77,4 К). Среди этих материалов стабильные результаты достигнуты на иттрий-бариевой керамике YBa₂Cu₃O_х при х ≥ 6,5 (95 -100 К), на керамиках состава Tl₂Ca₂Ba₂Cu₃O₁₀ (127 K) , HgBa₂Ca₂Cu₃O₁₀ (133 K) и др. Интересно, что все эти керамики содержат атомы меди.

Помимо сверхпроводимости внимание современной техники привлекает и криопроводимость (гиперпроводимость), т.е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах – в тысячи раз меньше, чем при комнатной. Это такие металлы, как медь, алюминий, бериллий. Из них только бериллий проявляет гиперпроводимость при температуре жидкого азота, но для этого требуется высокая чистота материала и отсутствие наклёпа. Однако бериллий значительно дороже алюминия, да к тому же и ядовит.

Вопросы для самопроверки.

1. Материалы высокой проводимости и высокого сопротивления. Правила Курнакова.

2. Специфические требования к приборным высокоомным проводникам и нагревательным сплавам.

3. Металлические материалы, применяемые в устройствах измерения температуры.

4. В чём различие между сверхпроводимостью и криопроводимостью? Перспективные высокотемпературные сверхпроводники.