Сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

По своему поведению в магнитных полях сверхпроводники разделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода обнаруживают те идеальные свойства, о которых уже говорилось. В присутствии магнитного поля в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи, которые полностью компенсируют внешнее поле внутри образца. Если сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра и находится в поле, параллельном его оси, то глубина проникновения может быть порядка 3*10^–6 см. При достижении критического поля сверхпроводимость исчезает, и поле полностью проникает внутрь материала. Критические поля для сверхпроводников 1-го рода лежат обычно в пределах от 100 до 800 Тл. Хотя у сверхпроводников 1-го рода малая глубина проникновения, они имеют большую длину когерентности – порядка 10^–4 см.

Сверхпроводники 2-го рода характеризуются большой глубиной проникновения (около 2*10^–5 см) и малой длиной когерентности (5*10^–7 см). В присутствии слабого магнитного поля (меньше 500 Тл) весь магнитный поток выталкивается из сверхпроводника 2-го рода. Но выше первого критического поля магнитный поток проникает в образец, хотя и в меньшей степени, чем в нормальном состоянии. Это частичное проникновение сохраняется до второго критического поля, которое может превышать 100 кТл. При полях, больших второго критического поля, поток проникает полностью, и вещество становится нормальным.

 

Эффект Мейснера.

Рис.57.

Впервые явление полного вытеснения магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом.

Объяснение эффекта связано со строго нулевым значением электрического сопротивления сверхпроводников. Действительно, проникновение магнитного поля в обычный проводник связано с изменением магнитного потока, которое, в свою очередь создаёт ЭДС индукции и наведённые токи, препятствующие изменению магнитного потока. Если же сопротивление строго нулевое, наведённые на поверхности сверхпроводника токи будут полностью компенсировать всякое изменение потока, препятствуя проникновению магнитного поля (Рис. 57).

Опыт 6.4. Эффект Мейснера

Оборудование:

1. Пенопластовая коробка

2. Поролон

3. 2 цилиндра из сверхпроводящей керамики

4. Магнит

Ход работы:

В пенопластовую коробку вложен поролон и в поролон вложены 2 цилиндра из керамики, которая при охлаждении ниже 93 К становится сверхпроводящей. В ложбинку между двумя цилиндрами уложим магнит. Сейчас он покоится при комнатной температуре. Уберем магнит и охладим цилиндры ниже критической температуры. Теперь попробуем положит магнит между цилиндрами. Мы видим, что магнит висит над цилиндрами. Когда мы подносим магнит в цилиндрах возникают индукционные токи и поскольку в сверхпроводящем состоянии вещество является идеальным диамагнетиком, подобное поле токов текущих по цилиндрической керамике вытолкнуло магнит из магнитного поля. Сила отталкивания магнита от цилиндров равна весу магнита

Гроб Мухаммеда.

Гроб Мухаммеда — опыт, демонстрирующий этот эффект в сверхпроводниках.

Происхождение названия. По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки (сами мусульмане этот факт опровергают), поэтому этот опыт называют экспериментом с «магометовым гробом».

Рис. 58

Опыт 6.5. Гроб Мухаммеда

Оборудование:

1. Алюминиевая пластина

2. Катушка

Ход работы:

Индукционные токи, возникающие в массивных протяженных проводниках (алюминиевая пластина) обычно называют токами Фуко. Источником переменного магнитного поля будет катушка с большим количеством медного провода, ее вес как минимум 2 кг. Выемка в пластине сделана для придания определенной конфигурации магнитному полю токов Фуко, обеспечивающей устойчивость этой катушки.

Токи Фуко обычно и греют обмотки трансформаторов, якоря, стартеры, электродвигатели. В этом смысле они вредны и борьба с ними такая - и трансформаторы, и якоря, и стартеры, и электродвигатели набирают из множества многих пластин трансформаторной стали, обладающей специальными свойствами.

Включаем автотрансформатор и увеличиваем напряжение, поданное на катушку. Катушка всплывает, это объясняется тем, что одним из свойств сверхпроводников второго рода является выталкивание магнитного поля из области сверхпроводящей фазы. Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит всплывает сам и продолжает парить до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит обратной полярности точно такого же размера, что и вызывает левитацию.

Теория БКШ.

Описание.

Но почему всё так происходит? Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908–1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков.

А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание», мы имеем, что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны — волей или неволей — движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают».

 

Рис. 59.

 

Однако, в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате, после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано — возник положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное — понять: благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он, тем самым, создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами — по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически невыгодно. Чтобы лучше понять этот эффект можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику «драфтинга» (а именно, «висят на хвосте» у соперника) и, тем самым, снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя куперовские пары.

Ку́ перовская па́ ра — квазичастица, состоящая из двух электронов. Обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Впервые спаривание электрона было предсказано Леоном Купером в 1956 году.

При сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. Каждая такая пара представляет собой связку наподобие вермишели, на каждом конце которой находится заряд-электрон. Теперь представьте себе, что перед вами целая миска подобной «вермишели»: она вся состоит из переплетенных между собой куперовских пар. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю. За открытие и объяснение эффекта сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию.

Математический аппарат.

Для простоты рассмотрим простую кубическую кристаллическую решётку с периодом a, состоящую из положительно заряженных одновалентных ионов с массой M и электрона, двигающегося с скоростью вдоль какой-либо оси симметрии (Рис. 60).

Более того, будем рассматривать взаимодействие при T=0. Когда электрон пролетает между ближайшими к нему ионами, те, в свою очередь, приобретают импульс в направлении, перпендикулярном движению электрона:

 

Рис. 60.

Под действием этого импульса ионы смещаются так, как показано на Рис. 60. При этом кинетическая энергия, которую приобретает ион за время взаимодействия, переходит в потенциальную. Таким образом, за движущимся электроном следует область избыточного положительного заряда, который создаёт отрицательный (притягивающий) потенциал для другого электрона (Рис. 60). Когда в образовавшуюся потенциальную яму попадает другой электрон, то его потенциальная энергия понижается, и между парой электронов возникают силы притяжения. При этом притяжение возникает только тогда, когда электроны движутся в разные стороны (Рис. 60). Кроме того, для образования куперовской пары спины электронов должны быть противоположными (антипараллельными).

Рассмотренное взаимодействие носит одномерный характер. Из квантовой механики известно, что в одномерном (а также в двухмерном) случае в потенциальной яме всегда образуется связанное состояние (в трехмерном случае для образования связанного состояния потенциальная яма должна быть достаточно глубокой). Поэтому взаимодействие электрон-ионы (электрон-фононное взаимодействие) всегда приводит к образованию связанного состояния пары электронов, получившего название куперовской пары.

 

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: