Нулевое электрическое сопротивление. Электрическое сопро-тивление металлов зависит от температуры, и вопрос о законах, описывающих эту зависимость, является одним из основных в физике металлов. Камерлинг-Оннес после сжижения гелия предпринял соответствующее исследование в области низких температур. При температуре, близкой к 4°К, электрическое сопротивление ртути, выбранной в качестве проводника, вдруг скачком обращалось в нуль. Контрольные опыты давали тот же результат. Позднее Камерлинг-Оннес сообщил: «Не осталось сомнений в существовании нового состояния ртути, в котором сопротивление фактически исчезает... Ртуть перешла в новое состояние, которое в соответствии с его необыкновенными электрическими свойствами можно назвать сверхпроводящим состоянием».

Полное отсутствие электрического сопротивления является фундаментальным и, может быть, самым эффектным проявлением нового состояния вещества. Благодаря этому свойству новое состояние и получило название сверхпроводящего.
Если взять кольцо из металла, находящегося в сверхпроводящем состоянии, и возбудить в нем электрический ток, то отсутствие сопротивления приведет к тому, что этот ток не будет затухать и время его циркуляции по кольцу будет бесконечным. Один из таких экспериментов был произведен в 1959 г. Через два с половиной года после начала опыта никакого уменьшения тока, протекающего по кольцу, отмечено не было.
Возникает вопрос: может ли эксперимент показать точное равенство нулю электрического сопротивления? В самом деле, ведь приборы характеризуются определенной чувствительностью, всегда имеются погрешности эксперимента, и поэтому можно опытным путем установить только верхний предел сопротивления. Однако он оказывается очень малой величиной. По последним данным, сопро-тивление сверхпроводника должно быть меньше 10-23 ом-м (напомним, что сопротивление такого хорошего проводника, как медь, составляет 10-8 ом м), так что, без сомнения, мы можем говорить об эффекте идеальной проводимости или точного равенства нулю электрического сопротивления.
Критическая температура. Сверхпроводящие вещества. Ртуть вошла в историю физики низких температур как первое сверхпроводящее вещество. Далее было открыто много других сверхпроводников, число их продолжает расти и в настоящее время.
Температура, прй которой происходит переход в состояние сверхпроводимости, называется критической (обозначается Тк), Для ртути Тк = 4,2 °К.
К сегодняшнему дню известно около 25 элементов, являющихся сверхпроводниками. Самой высокой критической температурой среди них обладает ниобий (Гк = 9,22 °К), а наименьшей— иридий (Тк = 0,140 °К).
Вполне возможно, что многие из элементов, сверхпроводимость которых не обнаружена, являются тем не менее сверхпроводниками, но при очень низких температурах.
Интересно, что если металл является хорошим проводником электрического тока, то это вовсе не означает, что при понижении температуры у него появится сверхпроводимость. Наоборот, оказалось, что такие хорошие проводники, как, например, золото, серебро, медь, сверхпроводниками не являются. Позже мы еще вернемся к этой любопытной закономерности.
Критическая температура зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристалла. Известно, что кристаллы многих веществ могут существовать в различных модификациях. Эти модификации отличаются своими физическими свойствами. Так, например, серое олово является полупроводником, а белое олово— металлом, способным к тому же при температуре, равной 3,72°К в сверхпроводящее состояние. Существует две кристаллические модификации лантана, называемые a – La и B – La, причем каждая из них характеризуется своей критической температурой (для а - La Тк = 4,8°К, для B – La = 5,95 К). Бериллий интересен тем, что он является сверхпроводником только в том случае, если образец приготовлен в виде тонкой пленки.
Из сказанного следует, что сверхпроводимость является свойством не отдельных атомов, а представляет собой коллективный эффект, связанный со структурой всего образца.
Основную часть сверхпроводников составляют, однако, не чистые вещества, а сплавы и соединения. В настоящее время насчитываем и более 450 сверхпроводящих материалов, причем это число все время увеличивается. Существуют сверхпроводящие сплавы (например, CuS, Au2Bi), компоненты которых порознь не обнаруживают в обычных условиях свойства сверхпроводимости, что только лишний раз подчеркивает коллективный характер эффекта. В сплавах, так же как и в чистых веществах, критическая температура зависит от кристаллической модификации. Так, один и тот же сплав Bi2Pd в зависимости от структуры кристаллической решетки может иметь две критические температуры (1,7 и 4,25 °К), довольно сильно отличающиеся друг от друга.
Самыемые высокие температуры, при которых сохраняется свойство сверхпроводимости, наблюдаются именно в сплавах. Так, сплав Nb3Sn, имеет критическую температуру, равную 18,1 °К. Наиболее высокой Tk настоящее время характеризуется соединение Nb3Ge,
сверхпроводимость которого сохраняется почти до температуры Т = 22,3 °К.

Эффект Мейсснера. Хорошо известно, что если обычный металл поместить в магнитное поле, то напряженность магнитного поля внутри металла будет отлична от нуля.
В сверхпроводниках же наблюдается совершенно иная картина (явление, о котором сейчас пойдет речь, было открыто Мейс снером и Оксенфельдом в 1933 г. и получило название — эффект Мейсснера), Эффект Мейсснера состоит в том, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводника. Более того, если мы исследуем вещество при температурах выше Tk, то в нем, как и во всяком нормальном металле, помещенном в магнитное поле, напряженность будет отличной от нуля (рис. 2.1). Не выключая внешнего магнитного поля, начнем постепенно понижать температуру. Тогда окажется, что в момент перехода в сверхпроводящее состояние напряженность магнитного поля внутри образца станет равной нулю, как это и показано на рисунке 2.1.
Каков механизм этого явления? Оказывается, что если сверх-проводник находится во внешнем магнитном поле, то в его поверх-ностном слое возникает постоянный электрический ток, протекающий без сопротивления. Его собственное магнитное поле противоположно приложенному полю. Происходит полная компенсация, что приводит к нулевому значению напряженности поля в толще сверхпроводника.
Таким образом, эффект Мейсснера и явление сверхпроводимости, т. е. полное отсутствие сопротивления, тесно связаны между собой.
Хорошо известно, что постоянный Ток в металле поддерживается электрическим полем. Что же касается поверхностного тока, о котором идет речь, то его природа весьма своеобразна. Он порождается не электрическим, а постоянным магнитным полем. Магнитное поле не совершает работы над зарядами, но она в данном случае и не требуется. Возможность создания тока в сверхпроводниках с помощью магнитного поля — важная особенность электромагнетизма сверхпроводников.
Эффект Мейсснера позволяет наблюдать целый ряд интересных явлений. Расскажем о некоторых из них.
Возьмем сверхпроводящие металлические кольца, в которых циркулирует ток. Над ними поместим сферу, также сделанную из сверхпроводника (рис. 2.2). Тогда мы увидим (сфера не должна быть очень тяжелой), что сфера висит над системой колец без всякой поддержки. Как же объяснить возможность такого «подвешивания»? Дело в том, что ток, циркулирующий в кольце, создает магнитное

Рис. 2.2. «Магнитная Рис. 2.3. «Гроб Магомета»,
подушка».

поле, приводящее к появлению в поверхностном слое сверхпрово- дящей сферы индуцированных токов, текущих без сопротивления. Направление их таково, что возникает сила отталкивания наведенного тока и тока в кольце. Сфера и повисает на высоте, определяемой равенством силы отталкивания и веса сферы.
Возможен и другой эксперимент, иллюстрирующий эффект меха-нического отталкивания. Постоянный магнит (рис. 2.3) висит над сверхпроводящей чашей, по которой циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи.
Это явление получило шуточное название «Гроб Магомета» (по преданию, гроб Магомета висел в пространстве без всякой поддержки).
Выше (стр. 22) рассказывалось о том, что ток, наведенный в сверхпроводящем кольце, будет незатухающим. Этот эксперимент интересен и с другой точки зрения. Дело в том, что, согласно классической физике, стационарная картина была бы невозможна, и не только из-за тепловых потерь. Ускоренно движущийся заряд (в данном случае электроны испытывают центростремительное ускорение) излучает электромагнитные волны, что и делает его движение неустойчивым. В свое время подобная постановка вопроса, возникшая после создания планетарной модели атома, привела к появлению теории Бора, к представлению о квантовании энергии в атоме.
Существование сверхпроводящих незатухающих токов — гигантское квантовое явление, гигантское в том смысле, что осуществляется оно не в атомном, а в макроскопическом масштабе. Оказывается, что величина тока не может принимать произвольное значение. Вместе с током квантуется и магнитный поток, создаваемый этим током внутри кольца, и это квантование наблюдается экспериментально.
Кртнческое магнитное поле. Сильные поля. На первый взгляд может показаться, что сверхпроводник с током идеально подходит для получения сильных магнитных полей. Действительно, если использовать обычный проводник с током, то большая часть мощности уходит на тепловые потери. При увеличении тока, к которому приходится прибегать для получения сильных магнитных полей,

Рис. 2.4. Зависимость критического Рис. 2.5. Туннельный контакт, поля от температуры.
металл может просто расплавиться. В сверхпроводниках же из-за отсутствия сопротивления этой опасности нет. Поэтому можно на-деяться, что рост тока в сверхпроводнике приведет к любому требуемому значению напряженности магнитного поля.
Однако природа устроена не так просто. Оказывается, что магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние, если его напряженность достигает определенной величины (эта величина обозначается Нк и называется критическим полем).
Критическое поле обычно бывает довольно слабым (?102 гс). Но это не относится к веществам, получившим название сверхпроводников II рода (к ним относятся, например, сплавы с высоким содержанием примеси). Эти сверхпроводники при некотором значении напряженности поля, обозначаемом Нк1, переходят в так называемое смешанное состояние, рассмотренное впервые А. А. Абрикосовым. Это состояние допускает частичное проникновение поля в сверхпроводящее вещество. Вещество оказывается пронизанным нитями (ОНИ называются вихрями), представляющими собой обычные, несверхироводящие области. Свойство сверхпроводимости при этом сохраняется вплоть до значения Нк2, которое может быть весьма большим (?105 гс). Такие сверхпроводники можно использовать для получения сильных магнитных полей.
Величина Нк заметно зависит от температуры. При приближении к критической температуре сверхпроводимость разрушается все более слабым нолем (рис. 2.4).
Другие эффекты (эффект Джозефсона; тепловые свойства). Отсутствие электрического сопротивления и эффект Мейсснера явля-ются фундаментальными, но далеко не единственными особенностями, характеризующими сверхпроводящее состояние. В этой статье нет, конечно, возможности рассказать о всех известных аномалиях сверхпроводников. Поэтому мы остановимся только на некоторых из них.
Очень интересен эффект, носящий имя английского физика Джозефсона. Джозефсон чисто теоретически, как говорят, «на кончике пера», предсказал эффект, носящий теперь его имя. Про
изошло это в 1962 г. К настоящему времени известно уже несколько сот экспериментальных работ, в которых наблюдается и детально исследуется это явление.
Для наблюдения используется так называемый туннельный контакт (рис. 2.5), состоящий из двух металлических пленок, разделенных очень тонким изолирующим слоем (толщина его ?10-7 см). Электроны могут проходить через изолирующий слой из одной пластины в другую. При этом мы сталкиваемся с одним из примеров удивительного явления, которое называется туннельным эффектом и объясняется в квантовой физике (отметим только, что возможность туннельного эффекта связана с волновыми свойствами электронов; волны могут просачиваться сквозь тонкие слои даже в условиях полного внутреннего отражения).
Мы здесь не станем подробно обсуждать вопрос о прохождении электронами туннельного контакта, тем более что это не имеет прямого отношения к теме статьи. Отметим только одно: если к контакту приложить постоянную разность потенциалов, то сквозь контакт потечет постоянный туннельный ток. Это явление наблюдается экспериментально с металлическими пластинами, находящимися как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии.
Однако если пленки являются сверхпроводящими, то в этом случае становится возможным и наблюдение так называемого нестационарного эффекта Джозефсона. Состоит он в том, что под действием постоянной разности потенциалов сквозь контакт течет переменный ток. При этом также наблюдается излучение электромагнитных волн. Таким образом, появляется уникальная возможность генерации переменного тока с помощью постоянной разности потенциалов.
Весьма своеобразен механизм теплопередачи в сверхпроводниках. Теплопроводность обычного металла не остается неизменной при всех температурах. Для сплавов, например, их способность проводить тепло уменьшается с понижением температуры.
Однако сверхпроводящий сплав ведет себя совершенно иначе. После перехода в состояние сверхпроводимости его теплопроводность не убывает, а возрастает с понижением температуры, затем она достигает максимума и только после этого начинает убывать.
Теплоемкость сверхпроводников при температурах, далеких от Tk, гораздо меньше теплоемкости обычных металлов. Поэтому сверхпроводники очень легко нагреваются при подведении тепла (или охлаждаются при отводе тепла).

Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top