Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротив­ление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) тем­пературах электрическое сопротивление металлов приближается к абсолют­ному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до тем­пературы 4,2 К голландский учёный Г.Каммерлинг-Оннес обнару­жил, что электрическое сопротивление кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление беско­нечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью. Критическую температуру охлаждения называют температурой сверхпроводимого переходаили критической температурой перехода T_кр. При повышении температуры до T_кр материал возвращается в нормаль­ное состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками, т. е. их магнитная проницаемость μскачком падает от μ=1 до μ=0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в маг­нитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника (рис. 3.1).

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода T_кр. Поэтому устройства, в которых исполь­зуются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов

Рис 3.1 Магнитное поле с введённым в

него сверхпроводником

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым ме­таллам (химическим элементам) и различным сплавам и химичес­ким соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, пере­вести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости опре­деляются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояниеT_кри критической напряженности магнитного поля H_кр.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягкимсверхпроводникам относят чистые металлы. К твердым сверхпроводникам отно­сят сплавы с искаженными кристалличес­кими решетками. Они сохраняют сверх­проводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных маг­нитных полях. Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине прошлого столетия и до настоящего време­ни проблема их исследования и применения является одной из важнейших про­блем современной науки и техники.

Сверхпроводникииспользуют при создании: электрических ма­шин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэф­фициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энер­гии большой мощности на большие расстояния; волноводов с осо­бо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведе­ны в табл. 3.5.

Таблица 3.5 Основные свойства некоторых сверхпроводниковых материалов