Сверхпроводники

При температурах, близких к абсолютному нулю, изменяется характер взаимодействия электронов между собой в кристаллической решётке, при этом становится возможным притяжение между одноимённо заряженными электронами и образование электронных (куперовских) пар. Эти пары обладают большой энергией связи, обмена импульсами между ними и кристаллической решёткой не происходит. Сопротивление материала становится равным (близким к) нулю, материал при этом обладает практически бесконечной удельной проводимостью. Такое явление называется сверхпроводимостью.

Температуру, при охлаждение до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода. При дальнейшем повышение температуре некоторая часть электронов термически возбуждаются и переходят в одиночное состояние. При достижении некоторой критической температуры Т_к все электронные пары распадаются и вещество переходит в обычное состояние, то есть явление сверхпроводимости исчезает По физическим свойствам сверхпроводники можно распределить на два класса – мягкие и твёрдые. Для мягких сверхпроводников (олово, ртуть, свинец, индий) характерны низкая температура плавления и отсутствие внутренних механических напряжений. Жёсткие сверхпроводники (цирконий, ниобий, тантал, титан) отличаются наличием внутренних механических напряжений.

С точки зрения термодинамики сверхпроводники делятся на 3 класса.

Сверхпроводники первого рода. Для них характерно скачкообразное изменение удельной теплоёмкости и определенная температура перехода в состояние (явление Майснера-Оксенфельда), которое характерно тем, что при переходе в сверхпроводящее состояние магнитное поле из него “выталкивается”, следовательно они становятся идеальными диамагнетиками. Сверхпроводимость может разрушиться уже при малых критических температурах и напряженности магнитного поля около 1 кА/м.

Сверхпроводники второго рода. Переход в сверхпроводящее состояние для них осуществляется постепенно, не скачком. Характерно два значения критической магнитной индукции. Если магнитная индукция внешнего поля превышает нижнее критическое значение, то происходит частичное проникновение магнитного поля во всю толщину сверхпроводящего образца. При этом под действием силы Лоренца электроны в сверхпроводнике начинают двигаться по окружностям, образуя вихри. Скорость внутри вихря возрастает, по мере приближения к оси до тех пор, пока не достигнет критического значения и произойдёт «срыв» сверхпроводимости. К ним относятся ниобий, ванадий и технеций.

Сверхпроводники третьего рода. К ним относят жёсткие проводники и их сплавы и химические соединения. Для таких проводников характерно наличие крупных неоднородностей, возникающих при пластической деформации.

Высокотемпературные сверхпроводники. Высокотемпературные сверхпроводники переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к температуре жидкого азота. Это такие вещества, как La_2-XM_XCuO₄ (M=Ba,Sr), YBa₂Cu₃O₇. Они представляют собой керамику. Плотность тока у них в сверхпроводящем состоянии до 10⁴А/см², что меньше чем у металлических сверхпроводников. В настоящее время открыты материалы с температурой перехода до -158 С.

Криопроводники - это материалы, удельное сопротивление которых достигает малых значений при криогенных температурах (ниже -173 С). Сверхпроводящее состояние в этих материалах не наблюдается. Наиболее широко в качестве криопроводников применяется чистая медь и алюминий (марки А999 с 0.001% примесей), берилий (0.1% примесей). При температуре жидкого гелия у алюминия А999 удельное электрическое сопротивление равно (1÷2)·10^-6мкОм·м. Применяются криопроводники в основном для изготовления жил кабелей, проводов, работающих при температурах жидкого водорода (-252,6 С), неона (-245,7 С) и азота (-195,6 С).