Печать
Опубликовано: 02 апреля 2014 02 апреля 2014
Просмотров: 3237 3237

 Электрическое сопротивление некоторых металлов, сплавов и иных материалов резко снижается при температурах, близких к абсолютному нулю. Сверхпроводимостью называется свойство материалов, при котором их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при понижении температуры ниже некоторого критического значения Тк. Ток, наведенный в замкнутом контуре из сверхпроводящего материала, продолжает существовать практически сколь угодно долго. Сопротивление при этом принимает значения порядка 10-25 Ом∙м, что в 1017 раз меньше сопротивления меди.

  Современная теория объясняет это явление взаимодействием электронов друг с другом посредством кристаллической решетки. В некоторых металлах при очень низких температурах притяжение через посредство решетки оказывается сильнее отталкивания, и электроны связываются попарно и образуются так называемые связанные куперовские пары электронов. Так как энергия связи электронов в паре невелика, каждая такая пара существует лишь ограниченное время, затем разрушается, но в целом энергия электронной системы благодаря спариванию уменьшается и поэтому металл переходит в новое, сверхпроводящее состояние. Практически полное исчезновение электрического сопротивления объясняют тем, что электронные пары не испытывают рассеяния.

 Другой особенностью сверхпроводников является то, что они представляют собой идеальные диамагнетики: магнитное поле, пронизывающее проводник при температуре выше Тк, выталкивается из него при переходе металла в сверхпроводящее состояние. Однако, если напряженность внешнего поля превысит некоторое критическое значение, то сверхпроводящее состояние разрушается.

 В соответствии с характером перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное при увеличении магнитного поля различают сверхпроводники I рода (Pb, Hg, In, Sn, А1) и II рода (Nb, V, Тс). В то время как сверхпроводники I рода переходят в нормальное состояние скачком, при строго определенной критической напряженности поля, у сверхпроводников II рода этот переход совершается постепенно.

 Всего известно около 2000 сверхпроводящих материалов, из них 26 чистых металлов. При этом такие проводники серебро, медь, золото сверхпроводимостью не обладают. Значения критической температуры и критической магнитной индукции Вк для некоторых металлов при нормальном давлении приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Критическая температура и магнитная индукция металлов

Металл

Тк, К

Вк, Тл

Алюминий

1,19

0,0099

Ванадий

5,3

0,1370

Вольфрам

0,012

0,1070

Индий

3,40

0,0293

Кадмий

0,55

0,0030

Ниобий

9,2

0,1944

Олово

3,72

0,0309

Свинец

7,2

0,0803

Тантал

4,39

0,0130

Таллий

2,39

0,0171

Цинк

0,9

0,0053


 Сплавы и химические соединения на основе ниобия, сверхпроводимость в которых возникает при более высокой температуре, приведены в табл. 2.

 

 Таблица 2.

Критическая температура соединений на основе ниобия

Сплавы и соединения на основе ниобия

Тк, К

Nb3Ge

23,2

Nb3Sn

18,3

NbN

17,3

NbRu3

15,0-16,0

Nb0,75Zr0,25

11,0

NbTc3

10,5

Nb0,75Ti0,25

10,0

NbSe2

7,0

NbS3

5,4

 

Сверхпроводники с критической температурой выше температуры жидкого азота (77 К) называются высокотемпературными сверхпроводниками.Это керамические материалы, образующие три группы.

 Первая группа:

Редкоземельные материалы типа RBa2Cu307-x, где в качествеRкроме иттрия Y выступают редкозе­мельные элементы иттриевой группы: Nd, Ld, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. При x<0,2 значения критической температуры этих материалов составляет 85-95 К. Эти сверхпроводники представляют собой керамику с характерным расположением атомов. Получают их спеканием тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия (или других вышеперечисленных элементов), меди с карбонатом бора.

 Вторая группа:

Висмутовые соединения Bi2CaCr2Cu208 (Тк = 80-85 К) и BiCa2Cr2O10-x, (Тк = 110-115 К).

 Третья группа:

Таллиевые соедине­ния TlCaBaCu205,5+x, Tl2CaBa2Cu208+x, Tl2Ca2Ba2Cu2O10-x, имеющие критические температуры 120, 125 и 106-108 К, соответственно.

 Сверхпроводники нашли широкое применение в технике. На их основе создают мощные магниты, кабели, электрические машины и т.д. Очень интересным является создание высокоскоростных электропоездов на «магнитной подушке» с использованием эффекта левитации, движущихся практически без трения.