Сверхпроводимость – применение явления, понятие, свойства

Одним из интересных явлений, происходящих с проводящими свойствами вещества при сверхнизких температурах, является сверхпроводимость. Рассмотрим суть этого понятия подробнее, дадим ему объяснение.

Сверхпроводимость – применение явления, понятие, свойства

Зависимость электрического сопротивления от температуры

Зависимость электрического сопротивления от температуры вещества была замечена еще в XIXв. С понижением температуры уменьшается тепловое движение атомов кристаллической решетки проводника, свободные электроны легче проходят по ней, встречая меньше сопротивления.

Сверхпроводимость – применение явления, понятие, свойства

Рис. 1. Зависимость сопротивления от температуры.

Однако, зависимость сопротивления от температуры линейна только при не слишком низких температурах. Во-первых, хотя ядра атомов очень малы по сравнению с электронными орбитами, вероятность столкновения с ними ненулевая. А во-вторых, с понижением температуры электроны начинают более тесно связываться с ядрами атомов, концентрация свободных электронов уменьшается, что также должно увеличивать электрическое сопротивление.

Выяснить, какой процесс преобладает при низких температурах, можно было лишь опытным путем.

Опыт Х. Каммерлинг-Оннеса

Такие опыты были проведены начале XXв голландским физиком X. Каммерлинг-Оннесом в созданной им лучшей на то время криогенной лаборатории, где удалось получить температуры порядка 1К (-272⁰С).

Выяснилось, что электрическое сопротивление различных образцов действительно, плавно падает по мере уменьшения температуры, однако, падение это нелинейно, и сильно зависит от химической чистоты исследуемых материалов. Поскольку легче всего поддаются высокой очистке легкоплавкие металлы (ртуть, свинец, олово, висмут), для исследования использовались в первую очередь они.

И 8 апреля 1911 г было обнаружено, что электрическое сопротивление ртутного проводника при 3К не регистрируется приборами, уменьшаясь, фактически, до нуля.

Сверхпроводимость – применение явления, понятие, свойства

Рис. 2. График сверхпроводимости ртути.

В дальнейшем были обнаружены и другие материалы, также резко уменьшавшие электрическое сопротивление при сверхнизких температурах.

Сверхпроводимость

Все измерения показывали, что сверхпроводящий материал совсем не оказывает сопротивления электрическому току в замкнутом контуре, и носители заряда движутся в нем постоянно в течении долгого времени. При этом наблюдаются все явления, присущие электрическому току, в частности, наведение собственного магнитного поля, и полное «вытеснение» внешнего магнитного поля из сверхпроводника. Если в сверхпроводящем кольце с помощью магнитного импульса индуцировать ток, то этот ток создаст магнитное поле, которое позволит кольцу свободно висеть над постоянным магнитом, не касаясь его. Если ток в результате потерь на электрическом сопротивлении начнет уменьшаться, это приведет к тому, что кольцо опустится ниже, или даже упадет на магнит.

Такой опыт был поставлен, и продолжался более двух лет. За это время кольцо не изменило своего положения, то есть ток в нем не изменил силы.

В настоящее время сверхпроводимость находит применение в ряде областей, где требуется иметь большие значения токов при малых потерях. Например, все современные медицинские МРТ-томографы имеют в основе сверхпроводящие магниты.

Сверхпроводимость – применение явления, понятие, свойства

Рис. 3. МРТ-томограф.

Объяснение явления сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости было невозможно объяснить в рамках теорий существовавших в начале XXв.

Первое удовлетворительное теоретическое объяснение было дано в 1935г физиками Ф. и Х. Лондонами. Более общая теория сверхпроводимости была построена в 1950 г. Л. Ландау и В. Гинзбургом. В дальнейшем она была расширена и уточнена Д. Бардиным, Л. Купером, Д. Шриффером (теория БКШ), и является в настоящее время основной.

Все построенные теории базируются на квантомеханических эффектах. Энергия носителей заряда может изменяться только порциями, с излучением или поглощением квантов энергии. Если энергия носителя оказывается меньше энергии кванта, то квант не может быть испущен, и носитель продолжает движение, сохраняя энергию. Все множество носителей заряда движется согласовано (когерентно), без потерь энергии. А это и означает течение электрического тока без сопротивления.

Что мы узнали?

Явление сверхпроводимости заключается в резком уменьшении электрического сопротивления проводника при сверхнизких температурах практически до нуля. Сверхпроводимость используется там, где требуются большие токи или магнитные поля (например, в МРТ-томографах). Наиболее полно сверхпроводимость в настоящее время описывается теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).

Предыдущая
ФизикаЭнергия заряженного конденсатора – формула
Следующая
ФизикаЭлектрический ток в полупроводниках – применение кратко, собственная и примесная проводимость
Помогли? Поставьте оценку, пожалуйста.
Плохо
0
Хорошо
0
Супер
0
Мы в ВК, подпишись на нас!

Подпишись на нашу группу в ВКонтакте, чтобы быть в курсе выхода нового материала...

Вступить