Сверхпроводники в магнитном поле

Как ранее отмечалось [5], при некоторой критической температуре T_к происходит переход многих проводников в сверхпроводящее состояние. Пусть такой проводник цилиндрической формы помещен во внешнее магнитное поле, линии напряженности которого параллельны оси образца (рис. 56). Как показывает опыт, критическая температура тем ниже, чем больше напряженность этого поля. На рис. 57 показана зависимость величины критической напряженности магнитного поля H_к, при которой происходит переход образца из нормального в сверхпроводящее состояние, от критической температуры T_к.

Как видно из рисунка, при H > H_к и T > T_к образец находится в нормальном состоянии, а при H < H_к и T < T_к − в сверхпроводящем. Представленная зависимость хорошо описывается формулой

.

При переходе образца, находящегося во внешнем магнитном поле, в сверхпроводящее состояние, либо при помещении во внешнее магнитное поле образца, уже находящегося в этом состоянии, происходит вытеснение магнитного поля из образца. Вытеснение магнитного поля из образца, находящегося в сверхпроводящем состоянии, называется эффектом Мейснера. Причина этого явления состоит в том, что на поверхности образца возникают токи, магнитное поле которых компенсирует внешнее магнитное поле внутри образца. Эти токи текут в тонком поверхностном слое сверхпроводника. Толщина этого слоя составляет 10⁻⁸–10⁻⁷ м. На такую же глубину проникает в сверхпроводник и магнитное поле. На рис. 56 показаны такие токи, текущие по поверхности цилиндрического образца. Применяя выражение (3.27), получаем, что в сверхпроводнике

т. е. J = − H. Следовательно, магнитная восприимчивость сверхпроводника χ = J/H = −1, а его магнитная проницаемость μ = 0. С формальной точки зрения сверхпроводник можно рассматривать как идеальный диамагнетик.

Существуют сверхпроводники первого рода и сверхпроводники второго рода. У сверхпроводников первого рода переход цилиндрического образца, находящегося в продольном магнитном поле (рис. 56), в сверхпроводящее состояние происходит сразу во всем объеме. Именно таким сверхпроводникам соответствует рис. 57. У сверхпроводников второго рода кроме сверхпроводящего и нормального состояний существует еще смешанное состояние (рис. 58). В этом состоянии объем образца состоит из сверхпроводящих областей и областей, имеющих обычную проводимость. Из областей с обычной проводимостью магнитное поле не вытесняется. Пусть цилиндрический образец, являющийся сверхпроводником второго рода, помещен в продольное внешнее магнитное поле (рис. 56). В этом случае области нормальной проводимости представляют собой трубки, вдоль которых проходят линии магнитного поля, параллельные линиям внешнего магнитного поля. Толщина трубок имеет порядок 10⁻⁷ м. Внутри трубок циркулируют круговые токи, охватывающие сердцевину трубки.

Объяснение свойств сверхпроводников может быть дано в рамках квантовой физики.