Надпровідники і кріопровідники

До кріопровідників і надпровідників відносяться метали, що працюють при дуже низьких температурах, що наближаються до абсолютного нуля. Явище надпровідності було відкрите В. Камерлінг-Оннесом в 1911 році. Ним було виявлено, що при охо-лодженні до температури скраплення гелію (4,2 К) опір замо-роженої ртуті різким стрибком падає практично до нуля (10^-25 Ом·м), що в 10¹⁷ разів менше опору міді. В наш час відомо 35 таких металів і більше тисячі сплавів і хімічних з’єднань, у яких при дуже низьких температурах питома провідність стає нескінченною величиною. Ряд елементів проявляє надпровідні властивості при низьких тисках, наприклад, такі напівпровідники, як кремній, германій, селен, сурма і т.д. Разом з тим такі метали як мідь, срібло, платина, золото та інші перевести в надпровідний стан не вдалося. Наявність у речовини такої провідності називається надпровідністю, а температура при якій речовина переходить у надпровідний стан, називається температурою надпровідного переходу (Т _С). Матеріа-ли, що переходять у надпровідний стан, називаються надпровідни-ками. Цей перехід є оборотним процесом: при підвищенні температури до значення Т _С надпровідність зникає і матеріал переходить у звичайний стан з кінцевим значенням провідності.

Явище надпровідності відповідно до квантової теорії виникає в результаті притягання електронів один до одного. Таке притягання можливе тільки в середовищі, що містить позитивно заряджені іони, поле яких послабляє сили кулонівського відштовхування між електронами. Притягаються тільки ті електрони, які беруть участь у процесі електропровідності. У результаті такого притягання електронів з протилежними напрямками імпульсів і спінів утворюють так звані куперовські пари. Вирішальну роль в утворенні цих пар відіграє взаємодія електронів з тепловими коливаннями решітки – фононами. Обмінна фононна взаємодія й викликає сили притягання між електронами. Електрон, що рухається серед позитивно заряджених іонів, електростатичними силами притягає до себе найближчі іони. У результаті такого зсуву іонів в зоні траєкторії електрона локально зростає густина позитивного заряду. Другий електрон, що рухається услід за першим, може притягатися областю з надлишковим позитивним зарядом. За рахунок непрямої взаємодії з решітками між першим і другим електронами виникають сили притягання. Другий електрон взаємодіє з першим, при цьому утворюючи куперовську пару. При абсолютному нулі всі електрони зв'язані в пари. При підвищенні температури за рахунок теплової енергії відбувається розрив деяких електронних пар.

Перехід речовини в надпровідний стан при його охолодженні відбувається в дуже вузькому діапазоні температур (соті частки градуса). Установлено, що порушення надпровідності відбувається не тільки при підвищенні температури, що перевищує значення Т _с, але також при виникненні на поверхні надпровідника магнітного поля з магнітною індукцією, що перевищує значення індукції переходу В _с. Причому для чистих надпровідникових металів – надпровідників першого роду (свинець, ртуть, індій, олово, алюміній) немає значення, чи створюється ця індукція струмом, що протікає по надпровіднику чи зовнішнім джерелом магнітного поля. У надпровідників першого роду цей перехід відбувається стрибкоподібно, як тільки напруженість поля досягне критичного значення.

Надпровідники другого роду переходять з одного стану в інший поступово; для них розрізняють нижню Н _св1 і верхню Н _св2 критичні напруженості поля. В інтервалі між ними матеріал перебуває в проміжному гетерогенному стані, в якому співіснують нормальна й надпровідна фази. Співвідношення між їхніми обсягами залежить від напруженості поля. Надпровідниками другого роду в основному є інтерметалічні з'єднання й сплави. Із чистих металів до надпровідників другого роду можна віднести лише ніобій, ванадій і технецій.

Критична напруженість магнітного поля для надпровідників першого роду становить близько 10⁵ А/м, а для надпровідників другого роду значення верхньої критичної напруженості може перевищувати 10⁷ А/м.

Слід зазначити, що особливістю надпровідників є те, що магнітне поле не проникає в товщу зразка. Силові лінії поля обгинають надпровідник. Це явище зумовлено воно тим, що в поверхневому шарі надпровідника виникає круговий незатухаючий струм, що повністю компенсує зовнішнє поле в товщині зразка. У результаті цього надпровідники є ідеальними діамагнетиками з магнітною проникністю, що дорівнює нулю. Експериментально це підтвердив В.К.Аркад’єв, продемонструвавши дослід, коли постійний магніт висів у повітрі над кільцем з надпровідного матеріалу, в якому циркулювали індуковані магнітом незатухаючі струми.

Рис.4.11. Діаграма стану надпровідника другого (криві 1 і 2) і

першого (крива 3) роду.

Однак розподіл речовин за їхніми надпровідними властивос-тями на два види не є абсолютним. Будь-який надпровідник першого роду можна перетворити в надпровідник другого роду, якщо створити в ньому достатню концентрацію дефектів кристалічних решіток. Надпровідність ніколи не спостерігається в системах, в яких існує феро- і антиферомагнетизм. Утворенню надпровідного стану в напівпровідниках і діелектриках перешкоджає мала концентрація вільних електронів. Але в матеріалах з великою діелектричною проникністю сили кулонівського відштовхування між електронами ослаблені, тому в деяких з них може спостерігатися явище надпровідності.

Параметри деяких надпровідників подано в табл. 4.3.

 

Табл. 4.3.

Надпровідник	Температура переходу Т С, К	Критичне значення індукції, В С, Тл
Алюміній Al	1,2	0,01
Олово Sn	3,7	0,031
Індій In	3,4	0,03
Ртуть Hg	4,2	0,46
Свинець Pb	7,2	0,08

Надпровідники знаходять застосування для виготовлення магнітних систем, що втримують плазму в реакторах керованого термоядерного синтезу, в магнітогідродинамічних (МГД) перетворювачах теплової енергії в електричну, як індуктивні накопичувачі енергії для покриття пікових потужностей. Застосування над провідників в електричних машинах для створення обмоток збудження дає змогу виключити з машин осердя з електротехнічної сталі. Проводяться дослідження зі створення надпровідних ліній електропередачі на постійному й змінному струмах. Перспективним є створення надшвидкісного транспорту на магнітній подушці.

Поряд з надпровідністю в сучасній техніці використовується явище кріопровідності, тобто робота металу при кріогенних температурах, коли опір стає дуже малим, але є кінцевою величиною. Метали, що володіють такою властивістю, але без переходу в надпровідний стан, називаються кріопровідниками. Для отримання якісних кріопровідників необхідна висока чистота металу. Як правило використовуються метали, що мають при кріогенних температурах, які є вищими температур надпровідності, найменше значення питомого опору. До них відносять: при температурі рідкого водню – алюміній (20,3 К), а при температурі рідкого азоту – берилій (77,4 К).