Сверхпроводимость

Одним из интересных явлений, происходящих с проводящими свойствами вещества при сверхнизких температурах, является сверхпроводимость. Рассмотрим суть этого понятия подробнее, дадим ему объяснение.

Зависимость электрического сопротивления от температуры

Зависимость электрического сопротивления от температуры вещества была замечена еще в XIXв. С понижением температуры уменьшается тепловое движение атомов кристаллической решетки проводника, свободные электроны легче проходят по ней, встречая меньше сопротивления.

Рис. 1. Зависимость сопротивления от температуры.

Однако, зависимость сопротивления от температуры линейна только при не слишком низких температурах. Во-первых, хотя ядра атомов очень малы по сравнению с электронными орбитами, вероятность столкновения с ними ненулевая. А во-вторых, с понижением температуры электроны начинают более тесно связываться с ядрами атомов, концентрация свободных электронов уменьшается, что также должно увеличивать электрическое сопротивление.

Выяснить, какой процесс преобладает при низких температурах, можно было лишь опытным путем.

Опыт Х. Каммерлинг-Оннеса

Такие опыты были проведены начале XXв голландским физиком X. Каммерлинг-Оннесом в созданной им лучшей на то время криогенной лаборатории, где удалось получить температуры порядка 1К (-272⁰С).

Выяснилось, что электрическое сопротивление различных образцов действительно, плавно падает по мере уменьшения температуры, однако, падение это нелинейно, и сильно зависит от химической чистоты исследуемых материалов. Поскольку легче всего поддаются высокой очистке легкоплавкие металлы (ртуть, свинец, олово, висмут), для исследования использовались в первую очередь они.

И 8 апреля 1911 г было обнаружено, что электрическое сопротивление ртутного проводника при 3К не регистрируется приборами, уменьшаясь, фактически, до нуля.

График сверхпроводимости ртути

Рис. 2. График сверхпроводимости ртути.

В дальнейшем были обнаружены и другие материалы, также резко уменьшавшие электрическое сопротивление при сверхнизких температурах.

Сверхпроводимость

Все измерения показывали, что сверхпроводящий материал совсем не оказывает сопротивления электрическому току в замкнутом контуре, и носители заряда движутся в нем постоянно в течении долгого времени. При этом наблюдаются все явления, присущие электрическому току, в частности, наведение собственного магнитного поля, и полное «вытеснение» внешнего магнитного поля из сверхпроводника. Если в сверхпроводящем кольце с помощью магнитного импульса индуцировать ток, то этот ток создаст магнитное поле, которое позволит кольцу свободно висеть над постоянным магнитом, не касаясь его. Если ток в результате потерь на электрическом сопротивлении начнет уменьшаться, это приведет к тому, что кольцо опустится ниже, или даже упадет на магнит.

Такой опыт был поставлен, и продолжался более двух лет. За это время кольцо не изменило своего положения, то есть ток в нем не изменил силы.

В настоящее время сверхпроводимость находит применение в ряде областей, где требуется иметь большие значения токов при малых потерях. Например, все современные медицинские МРТ-томографы имеют в основе сверхпроводящие магниты.

МРТ-томограф

Рис. 3. МРТ-томограф.

Объяснение явления сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости было невозможно объяснить в рамках теорий существовавших в начале XXв.

Первое удовлетворительное теоретическое объяснение было дано в 1935г физиками Ф. и Х. Лондонами. Более общая теория сверхпроводимости была построена в 1950 г. Л. Ландау и В. Гинзбургом. В дальнейшем она была расширена и уточнена Д. Бардиным, Л. Купером, Д. Шриффером (теория БКШ), и является в настоящее время основной.

Все построенные теории базируются на квантомеханических эффектах. Энергия носителей заряда может изменяться только порциями, с излучением или поглощением квантов энергии. Если энергия носителя оказывается меньше энергии кванта, то квант не может быть испущен, и носитель продолжает движение, сохраняя энергию. Все множество носителей заряда движется согласовано (когерентно), без потерь энергии. А это и означает течение электрического тока без сопротивления.

Что мы узнали?

Явление сверхпроводимости заключается в резком уменьшении электрического сопротивления проводника при сверхнизких температурах практически до нуля. Сверхпроводимость используется там, где требуются большие токи или магнитные поля (например, в МРТ-томографах). Наиболее полно сверхпроводимость в настоящее время описывается теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.8. Всего получено оценок: 3.

Предметы