Физическая природа сверхпроводимости была понята в 1957 на основе теоии (Ландау) сверхтекучести гелия

Сверхпроводимость это макроскопический эффект. Между электронами металла помимо кулоновского отталкивания, в достаточной степени ослаблено экранирующим действием положительных ионов решетки, в результате электрон-фотонного взаимодействия (взаимодействия электронов с колебаниями решетки) возникает слабое взаимное притяжение и при определенных условиях может преобладать над отталкиванием. В результате электроны проводимости, притягиваясь, образуют своеобразное связанное состояние, называемое куперовской парой. «Размеры» пары много больше (примерно на четыре порядка) среднего межатомного расстояния, т.е. между электронами, «связанными» в пару, находится много «обычных» электронов.

Чтобы разрушить эту пару (оторвать одни из ее электронов) надо затратить энергию, которая пойдет на преодоление сил притяжения электронной пары. Такая энергия может быть в принципе получена в результате взаимодействия с фотонами. Однако пары сопротивляются своему разрушению. Это объясняется тем, что существует не одна пара, а целый ансамбль взаимодействующих друг с другом куперовских пар.

Электроны, входящие в куперовскую пару, имеют противоположные спины., поэтому спин такой пары равен нулю и она представляет собой Бозон.

К бозонам принцип Паули неприменим, и число бозе-частиц, находящихся в одном состоянии, не ограничено.

Поэтому при сверхнизких Т° бозоны скапливаются в основном состоянии, из которого их довольно трудно перевести в возбужденное.

Система бозе-частиц кулоновских пар, обладая устойчивостью относительно возможности отрыва электрона, может действием внешнего электрического поля двигаться без сопротивления со стороны проводника, что и приводит к сверхпроводимости.

Сверхпроводящие кабели. Сигналы электросвязи, распределяющиеся по кабелям связи, сильно ослабляются по амплитуде (затухают), за счет потери энергии в токоведущих проводах и диэлектрике.

Для уменьшения потерь были созданы сверхпроводящие кабели за счет явления сверхпроводимости. При температуре -273°С (если охладить кабель), то его сопротивление будет ничтожно мало, а значит будет минимум потерь. Используют материалы (алюминий, олово, ниобий, свинец, тантал). У меди – сверхпроводимости не наблюдается.

На низких частотах сопротивление мало, но с повышением частоты (до 1 ГГц) сопротивление сверхпроводников возрастает.

По конструкции сверхпроводящие кабели выполняют коаксиальными. Внутренний проводник делают из ниобия, внешний из свинца, а изоляция – из фторопласта. Кабель помещают в трубопровод из нержавеющей стали с теплоизолирующим покрытием. По трубопроводу прокачивают хладоагент – жидкий и газообразный азот, водород или гелий, создающий нужную низкую температуру. Для обеспечения прокачки хладоагента и низкой температуры через каждые 10 – 20 км сверхпроводящего кабеля устанавливаются криогенные станции. Создаются комбинированные кабели для передачи электропередачи и электросвязи.

Достоинства сверхпроводящих кабелей:

- через кабель не проникают электромагнитыне поля, что очень важно с точки зрения защиты линии от внешних помех;

- затухание меньше в 10³ раз по сравнению с обычным кабелем начастоте 1 кГц и в 10⁶ раз при 1 МГц и в 10⁴ раз при 1 ГГц, что позволяет организовать связь на большие расстояния без промежуточного усиления.

Недостатки:

- через 10 –20 км необходимо размещать криогенные станции, стоимость их высокая.

Эффект Джозефсона (англичанин,1963). Предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (пленка оксида металла толщиной ≈1нм) разделяющий два сверхпроводника (контакт Джозефсона). Если ток через этот контакт не превышает некоторое критическое значение, то падения напряжения на нем нет (стационарный эффект), если превышает – возникает падение напряжения и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный эффект). Частота излучения связанна с U на контакте φ = 2еU/h.

Возникновение излучения объясняется тем, что куперовские пары, проходя сквозь контакт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыточную энергию.

Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант электромагнитной энергии hφ=2eU.

Эффект используется для точного измерения очень слабых магнитных полей (до 10Тл), токов (до 10А) и напряжений (до 10В), а также для создания быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.