Курсовая работа: Надпровідники першого та друго роду
Американський фізик У.Літлл в 1964 році висунув сміливе припущення: можливі надпровідники не металевої, а органічної природи. Важливе місце в своїх міркуваннях Літлл відводив полімерним молекулам, в основному ланцюзі яких є одиничні і кратні зв'язки, що чергуються (хіміки називають такі зв'язки зв'язаними). Цю особливість зв'язаних зв'язків в основному ланцюзі полімерної молекули Літлл вважав важливою передумовою для переходу в надпровідний стан. Склавши проект свого полімеру, учений вважав: речовина з такими молекулами зобов'язана бути надпровідником; більш того - в цей стан вона повинна переходити при не дуже низькій температурі, можливо, близькою до кімнатної.
Провідники, вільні від всяких енергетичних втрат за абсолютно звичайних умов, звичайно ж, зробили б революцію в електротехніці. Ідея американського фізика була підхоплена в багатьох лабораторіях різних країн.
Проте досить швидко з'ясувалося, що придуманий приклад Літллом ніяким чином не давав можливості перейти в надпровідний стан. Але надпровідність була таки виявлена за межами світу металів. У 1980 році в Данії група дослідників під керівництвом До. Бекгарда, эксперементуючи з органічною речовиною з класу іон-радикальних солей, перевела його в надпровідний стан при тиску 10 кбар і температурі на 0,9 градуса вище за абсолютний нуль. У 1983 році колектив радянських фізиків, очолюваний доктором фізико-математичних наук І.Ф. Щегольовим, добився від речовини того ж класу переходу в надпровідний стан вже при 7 градусах абсолютної шкали температур і при нормальному тиску.
3. Відкриття надпровідності.
Камерлінг - Оннес . Біографія .
Нідерландський фізик. Камерлінг-Оннес вважав, що дослідження поведінки газів при низьких температурах може дати важливу інформацію для перевірки теорії відповідних станів. Для досягнення низьких температур необхідно зріджувати гази. Камерлінг-Оннес вибрав темою для роботи своєї лабораторії вузьку область кріогеники - дослідження низькотемпературних ефектів. Він побудував крупний завод по зріджуванню газів для отримання великих кількостей низькотемпературних рідин - кисню, азоту і повітря. Ці рідини були необхідні для проведення експериментів по вивченню властивостей матеріалів і досягнення ще нижчих температур. У 1908 році Камерлінгу-Оннесу вперше вдалося отримати рідкий гелій при температурі всього лише на 4 градуси вище за абсолютний нуль. Він вивчав спектри поглинання елементів, фосфоресценцію різних з'єднань, в'язкість зріджених газів і магнітні властивості речовин.
Своє найбільш вражаюче відкриття Камерлінг-Оннес зробив в 1911. Він виявив, що при низьких температурах електричний опір деяких металів повністю зникає. Це явище Камерлінг-Оннес назвав надпровідністю. Камерлінг-Оннес припустив, що пояснення надпровідності буде дано квантовою теорією. У 1957 Дж. Бардін, Л. Купер і Дж. Роберт Шріффер запропонували теоретичне пояснення явища надпровідності. Камерлінг-Оннес був удостоєний Нобелівської премії по фізиці 1913 «за дослідження властивостей речовини при низьких температурах, які привели до виробництва рідкого гелію».
Дослід Камерлінг-Оннеса: відкриття надпровідності.
Явище надпровідності є незвичайно яскравим проявом квантових закономірностей в макроскопічних масштабах. Надпровідність - це перебіг електричного струму по провідникові без опору. Пропадає опір у надпровідників при деякій температурі, званою критичною температурою, і залишається нульовим аж до температури абсолютного нуля.
Рис. 3. Залежність питомого опору ртуті від температури
В даний час встановлено, що в надпровідному стані питомий опір надпровідників принаймі менше 10 – 21 Ом∙м, тобто в 10 – 17 разів менше опору міді при кімнатній температурі. Як видно з рис. 3, перехід з нормального в надпровідний стан відбувається дуже різко при критичній температурі.Як це задоволено часто буває, до відкриття явища надпровідності привів випадок. У 1908 році Камерлінг-Оннес вперше отримав рідкий гелій, і потім почав дослідження залежності опору різних чистих металів від температури. Спочатку це була платинова і золота тяганина, і їх опори, як і очікувалося, зменшувалися у міру зменшення температури, потім він приступив до вимірювання опору ртуті. Вибрана вона була тому, що ртуть можна дуже добре очистити від домішок шляхом вакуумної дистиляції, тобто просто кип'яченням. Все йшло як завжди при температурах рідкого кисню, азоту, водню, але в рідкому гелії опір впав до нуля. Цілком природно було припустити, що відбувається коротке замикання вимірювального ланцюга десь в кріостаті (приладі типу термоса, в якому проводяться експерименти з охолоджувальними рідинами (їх називають холодагентами) - азотом, воднем, гелієм). Вимірювання повторювали кілька разів, але весь час при температурі рідкого гелію ланцюг закорочувався. Тоді було вирішено замість U-подібної трубки, заповнюваною ртуттю, використовувати W-подібну і розмістити в ній вже декілька контактів. На жаль, до засмучення експериментаторів, вже тепер всі чотири сегменти закорочувалися. І лише випадок допоміг дізнати дійсну причину невдач.
Річ у тому, що початковий газоподібний гелій тоді було дуже важко отримати. Спочатку в лабораторії Камерлінг-Оннеса гелій здобували, подрібнюючи шматки гірської породи з Ісландії. Лише потім на кораблі привезли з Північної Кароліни гелій, що містить, пісок, і вдалося отримати чверть літра рідкого гелію. Природно, Камерлінг-Оннес, що називається, тремтів над гелієм. Особливо його турбувала можливість появи тріщин в скляному дьюаре. Щоб у разі появи тріщин гелій не випарувався в повітря, в кріостаті весь час підтримувався тиск, менший атмосферного. За наявності тріщин атмосферне повітря, потрапляючи в них, заморозилося б і тим самим залікувало їх.
Звичайно, весь час стояти, напружено вдивляючись в свідчення манометра, було досить важко. І ось одного разу, коли Полотно – співробітник Камерлінг-Оннеса – проводив вимірювання, хлопчик задрімав, і тиск в кріостаті почав поволі підніматися. Тому почала підніматися і температура рідкого гелію. Полотно, знаходячись в кімнаті, де розташовувалися дзеркальні гальванометри, раптом виявив, що зайчики гальванометрів почали відхилятися, реєструючи появу опору у ртуті. Так із-за неуважності помічника і було відкрито явище надпровідності. До цього слід додати, що якби Камерлінг-Оннес не зменшував тиск гелієвої пари, то надпровідність у ртуті не була б їм виявлена, оскільки температура надпровідного переходу у ртуті (4,15 К) трохи менше температури кипіння рідкого гелію за нормальних умов (4,2 К).
Те, що зменшення тиску пари гелію приводить до пониження температури, легко зрозуміти. Всі знають, що в горах, де тиск повітря менший, ніж на рівнинах, зварити круто яйця не можна, і зв'язано це з тим, що температура кипіння води знижується. Те ж саме відбувається і з рідким гелієм - з пониженням тиску його температура кипіння знижується.
4. Ідеальний провідник і надпровідник. Ефект Мейснера.
Для аналізу поведінки ідеального провідника в магнітному полі розглянемо контур, поміщений в поле з індукцією Ba (рис.4, а). Якщо площа, обмежена кільцем рівна А, то потік, що пронизує кільце, можна описати по формулі
.
При зміні прикладеного поля в кільці індукуються струми. Вони направлені так, що створений ними усередині кільця потік прагне компенсувати зміну потоку, викликану зміною прикладеного поля. Між індукційним струмом і електрорушійною силою (-АdBа /dt )справедливо наступне співвідношення:
,
де R і L - повний опір і індуктивність контура.
У звичайному кільці наведені струми із-за кінцевого опору швидко затухають і потік, пронизливий контур приймає нове значення. У разі ідеальної провідності R=0, останнє співвідношення приймає вигляд
або
L i+AB a =const .
Таким чином, повний магнітний потік через контур без опору (L i+AB a ) не може змінитися. Навіть при зниженні зовнішнього поля до нуля, внутрішній потік зберігається завдяки циркулюючому в замкнутому кільці індукованого незгасаючого струму.
Все вищевикладене відносилося до умови, при якій кільце, знаходячись в прикладеному магнітному полі, охолоджувалося нижче за температуру Тк , при якій зникав опір. Якщо ж контур спочатку охолодити, а потім прикласти зовні поле, то результуючий внутрішній потік залишиться рівним нулю не дивлячись на наявність зовнішнього поля.
Рис. 4. а) б)
Розглянемо поведінку ідеального провідника в магнітному полі. Припустимо, що зразок з ідеального провідника проходить наступні стадії: спочатку охолоджується нижче за деяку температуру, коли падає опір, а потім накладається магнітне поле. Опір по будь-якому довільно вибраному замкнутому контуру усередині металу рівний нулю. Отже, величина магнітного потоку, ув'язненого усередині цього кільця, залишається рівною нулю. Довільність вибору контура дозволяє укласти, що магнітний потік рівний нулю за всім обсягом зразка. Це пов'язано з індукованими магнітним полем незгасаючими струмами по поверхні зразка. Вони створюють магнітний потік, щільність якого Вi всюди усередині металу точно рівна по величині і протилежна по щільності потоку прикладеного магнітного поля Вa . Таким чином, виникає ситуація, коли поверхневі струми, часто звані що екранують, перешкоджають проникненню в зразок магнітного потоку прикладеного поля. Якщо усередині речовини, що знаходиться в зовнішньому полі, магнітний потік рівний нулю, то говорять, що він проявляє ідеальний діамагнетизм. При зниженні щільності прикладеного поля до нуля зразок залишається в своєму ненамагніченому стані.
У іншому випадку, коли магнітне поле прикладене до зразка, що знаходиться вище за перехідну температуру, кінцева картина помітно зміниться. Для більшості металів ( окрім феромагнетиків ) значення відносної магнітної проникності близьке до одиниці. Тому щільність магнітного потоку усередині зразка практично рівна щільності потоку прикладеного поля. Зникнення електроопору після охолоджування не робить впливу на намагніченість, і розподіл магнітного потоку не міняється. Якщо тепер понизити прикладене поле до нуля, то щільність магнітного потоку усередині надпровідника не може мінятися, на поверхні зразка виникають незгасаючі струми, що підтримують усередині магнітний потік. В результаті зразок залишається весь час намагніченим. Таким чином, намагніченість ідеального провідника залежить від послідовності зміни зовнішніх умов.