Сверхпроводимость проводников

Квантование магнитного потока может быть использовано для создания пространства,в котором вообще отсутствует магнитное поле.Если охладить

Сверхпроводимость проводников

Информация

Физика

Другие материалы по предмету

Физика

Сдать работу со 100% гаранией
вается к другому электрону.

Интересно,что именно взаимодействие электронов с решеткой кристалла ответственно за появление сопротивления . При определенных условиях оно приводит к его отсутствию,т.е эффекту сверхпроводимости .Так было

расскрыто объяснение сверхпроводимости.

В 1957 г. Бардином,Купером,Шриффером была построена теория сверхпроводящего состояния.

Квантовая основа.

 

1.В квантовой теории металлов притяжение между электронами ( обмен фононами)связывается с возникновением элементарных возбуждений решетки.

Электрон,движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решетки,переводит ее в возбужденное состояние.При переходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты- фонон,который поглащается другим электроном.Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами,причем притяжение наиболее эффективно,если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

2.Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов.Проявление сил притяжения можно представить.В результате деформации решетки электрон оказываеся окруженным “облаком “положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему,

которая будет притягиваться к другому электрону.

При высоких температурах достаточно сильное интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга,размывает ионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения.При низких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.

Возникновение межэлектронного притяжения не противоречит законам физики.Два электрона, несомненно, отталкиваются друг от друга ,если находятся в пустоте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В среде же сила их взаимодействия равна

 

(ε-диэлектрическая проницаемость среды).Если среда такова ,что ε <0, то одноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.

Кристаллическая решетка и является той средой , которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость в сверхпроводнике.

3.Расстояние между электронами пары равно:

 

где h-постоянная Планка,uF-скорость электрона на уровне Ферми ,

k постоянная Больцмана, Тcтемпература перехода в сверхпроводящее состояние.Оценка показывает,что δ=10 см,т.е.электроны,образующие пару ,

находятся на расстоянии порядка 104 периодов кристаллической

решетки.Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив ,простирающийся на громадные , по атомным масштабам,

расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением,образующим пары ,то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным.Если же при температуре Т происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания,то вещество переходит в cверхпроводящее состояние

4.Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями,меньшими ,чем энергия связи пары электронов.

Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решетки не изменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением.

Квантомеханическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях.А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условия сверхпроводимости.

 

1.Сверхпроводники I и II рода.

Когда магнитный поток проходит через проводник без потерь и когда энергия связана с поверхностями раздела между участками n-фазы и s-фазы ( граница между двумя фазами всегда обладает поверхностной энергией.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5

 

На рис. 5 а-сверхпроводник с идеальным диамагнетизмом;б-сверхпроводник в смешанном состоянии.Заштрихованные области соответствуют сверхпроводящему состоянию (s-фазе), незаштрихованные- нормальному (n-фазе).При толщине слоев s- фазы,меньшей глубины проникновения , магнитный поток пронизывает и сверхпроводящие слои(Н- напряженность внешнего магнитного поля).

Искажения плотности сверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях,меньших длины когерентности ξ~ΔS.

В поверхностную энергию дают вклад эффекты,зависящие как от глубины проникновения λ,так и от длины когерентности ξ.Как было показано ,вклад в поверхностную энергию отрицателен( т.к. при этом объем чистой s-фазы

уменьшается на величину порядка λS, где S-площадь поверхности s-фазы) и , следовательно, добавка к внутренней энергии сверхпроводника уменьшается на величину порядка λSH2/8π.Если выполняется условия ξ>λ(более точный расчет дает условие ξ>λ1/2),то образование слоистой структуры энеогетически невыгодно и сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.

Такие сверхпроводники называются сверхпроводимостью I рода.К ним принадлежат почти все чистые сверхпроводники .Если же выполняется условие ξ<λ1/2,то энергетически выгодно образование слоистой структуры и сверхпроводники находятся в смешанном состоянии.Такие сверхпроводники называются свехпроводимостью II рода.К ним относятся многие сверхпроводящие сплавы и сверхпроводники, загрязненные примесями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Сверхпроводимость может разрушаться током..

Если сверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле, то критический ток в нем окажется равным 0,т.е. протекание сквозь угодно малого тока будет сопровождаться тепловыми потерями.Возникает система вихревых нитей и при пропуске тока происходит их взаимодействие.Опытным путем доказано,что жесткие сверхпроводники выдерживают сильные магнитные поля,а благодаря неоднородностям структуры через них можно пропускать большие токи.

3.Созданы новые сверхпроводящие вещества , дающие возможность получать поля около 200 кгс. Перспектива открытий в этой области неограничена.

 

Применение сверхпроводимости.

 

Продолжается поиск материалов,позволяющих получать все более мощные магнитные поля. Соленоиды создают не просто сильные магнитные поля.Возможно получение однородных полей в достаточно большой области пространства,что весьма важно при проведении научных исследований,

посвященных изучению свойств вещества в магнитном поле.

Наиболее заманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получения сверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные поля необходимы,например, при управлении плазменными пучками в установках для исследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителях заряженных частиц высоких энергий.

В этом случае энергию надо затрачивать только на охлаждение обмоток до температур ниже критической.

Каждый элемент провода с током в такой обмотке находится в очень сильном магнитном поле соседних витков,поэтому целесообразно применять сверхпроводники II рода,выдерживающие большие магнитные поля. Для этих целей выявлены сверхпроводимость III рода( ниобий-цирконий или ниобий-олово).

Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличие от обычного электромагнита сверхпров. не нуждается во внешнем источнике питания,поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления.

Другим примером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий элемент в электрических цепях.На проводник,по которому течет электрический ток, наматывается несколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высоким значением критического поля Н к.1Меняя ток в витках,можно создать критическое поле в управляемом сверхпроводнике, что приведет к его “запиранию” вследствие потери им С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпров. при создании вычислительных машин.Сверхпроводящий ток является незатухающим.Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего устройства,хранящего большие и легко считываемые запасы информации.

Скорость “ вспоминания” сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга.Они в состоянии всего лишь за 10-6 сек выбрать нужную информацию из 1011 ее единиц.

В вычислительной технике используется двоичная система.Двойственность сверхпроводников( они могут находиться или в нормальном,или в сверхпроводящем состоянии),быстрота их перехода под действием темпера-

туры или магнитного поля из одного состояния в другое позволяют использовать их в качес

Похожие работы

< 1 2 3 4 > >>