В 1911 году нидерландский физик Х. Камерлинг-Оннес получил, что при $T=4,3 K$ у ртути отсутствует сопротивление электрическому току. Причем падение сопротивления идет скачком в интервале несколько сотых градуса. Позднее обнаружилось, что резкое уменьшение сопротивления можно наблюдать и у других чистых веществ и некоторых сплавов. Это явление назвали сверхпроводимостью Температура перехода в состояние сверхпроводимости у разных веществ разные, но всегда очень низкие.
Если возбудить электрический ток в кольце из сверхпроводника при помощи такого явления, как электромагнитная индукция, то сила тока может не изменяться до нескольких лет.
Пример:
- Возьмем кольцо из проволоки.
- Поместим его в магнитное поле.
- Выключим магнитное поле (быстро удалим магнит). В кольце появится ток индукции.
Данный ток будет идти очень короткое время, поскольку ЭДС индукции действует только в момент отключения магнитного поля. После прекращения работы ЭДС перестает идти ток в проводнике.
Проведем ту же последовательность действий со сверхпроводником, сопротивление которого равно нулю. В материале сверхпроводника отсутствуют силы, препятствующие движению электронов. Следовательно, для поддержания тока в проводнике нет необходимости во внешнем электрическом поле, значит, источник ЭДС не нужен. Ток в сверхпроводнике может существовать долгое время и после прекращения действия электродвижущей силы. В подобном эксперименте Камерлинг – Оннес наблюдал наличие тока в сверхпроводнике в течение почти четырех суток, после выключения магнитного поля. В этом опыте кольцо из свинца поддерживалось при очень низкой температуре около 7К.
Критическая температура
Верхним пределом удельного сопротивления сверхпроводников считают менее $\rho
Явление скачкообразного уменьшения сопротивления веществ при низких температурах назвали сверхпроводимостью.
Температура, при которой сопротивление вещества становится равным нулю стали называть критической температурой ($T_k$).
Сопротивление веществ до их перехода в сверхпроводящее состояние может быть разным. Многие из них при комнатных температурах могут обладать высоким сопротивлением. Как уже отмечалось, переход в сверхпроводящее состояние происходит очень резко. У чистых монокристаллов интервал температур перехода составляет менее тысячной градуса.
Сверхпроводимость среди «чистых» материалов выявлена у:
- алюминия,
- кадмия,
- цинка,
- индия,
- галлия.
Свойство сверхпроводимости связано со структурой кристаллической решетки. Так, белое олово проявляет свойства сверхпроводника, а серое не проявляет, ртуть имеет сверхпроводящие свойства только в $\alpha$ - фазе.
Критическое поле
В 1914 г. Камерлинг – Оннес выявил, что состояние сверхпроводимости можно разрушить при помощи магнитного поля, если величина магнитной индукции его выше некоторого критического значения. Это значение зависит от материала сверхпроводника и его температуры.
Критическое поле может создать сам сверхпроводящий ток. Следовательно, есть критическая величина силы тока, при которой состояние сверхпроводимости подвергается деструкции.
Эффект Мейсснера
В 1933 году ученые Мейсснер и Оксенфельд выявили, что внутри сверхпроводников полностью отсутствуют магнитные поля. Если сверхпроводник охлаждать во внешнем постоянном магнитном поле, то в момент перехода в состояние сверхпроводника магнитное поле полностью вытесняется из объема материала.
В этом состоит принципиальное отличие сверхпроводника от идеального проводника. У проводника при уменьшении удельного сопротивления индукция магнитного поля в его объеме должна сохраняться без изменений.
Явление вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника называют эффектом Мейсснера.
К важнейшим свойствам сверхпроводников относят:
- Отсутствие сопротивления.
- Эффект Мейсснера.
Поверхностный ток
Так как в объеме сверхпроводника отсутствует магнитное поле, то в нем имеются только токи, текущие по поверхности. Эти токи физически реальны. Они локализованы в тонком слое около поверхности тела.
Магнитные поля поверхностных токов нивелируют внешнее магнитное поле внутри сверхпроводника. Получается, что сверхпроводник ведет себя формально как диамагнетик. Но таковым не является, поскольку его намагниченность равна нулю внутри него.
Сверхпроводники первого и второго рода
Чистые вещества (так называемы элементарные проводники), обладающие свойством сверхпроводимости очень немногочисленны. Более часто сверхпроводимость наблюдается у сплавов.
У элементарных сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейсснера, тогда как у сплавов имеется только частичный эффект, то есть магнитное поле выталкивается из объема вещества не полностью.
Вещества, у которых возникает полный эффект Мейсснера, называют сверхпроводниками первого рода.
Вещества, у которых эффект Мейсснера проявляется частично, носят название сверхпроводников второго рода.
Сверхпроводники второго рода в своем объеме имеют круговые токи, которые порождают магнитное поле, распределенное в веществе в виде отдельных «нитей». Сопротивление же этих сверхпроводников, так же равно нулю, как и у первых.
Природа сверхпроводимости
Сверхпроводимость можно сравнить со сверхтекучестью жидкости, которая создана из электронов. Явление сверхтекучести появляется в результате отсутствия обмена энергиями сверхтекучей составляющей жидкости и других ее частей, при этом исчезает трение. Важным моментом при этом является то, что молекулы этой жидкости как бы конденсируются на самом низком энергетическом уровне, который отделен от других уровней довольно широкой энергетической щелью. Эту щель силы взаимодействия не могут преодолеть. Это является причиной отсутствия взаимодействия.
Для того чтобы многие частицы могли локализоваться на низшем энергоуровне, нужно их подчинение статистике Бозе- Эйнштейна (это значит они должны иметь целочисленный спин).
Электроны подчинены статистике Ферми – Дирака, значит, не могут собираться не низшем энергоуровне и создавать сверхтекучую жидкость. Силы отталкивания, возникающие между электронами, в основном компенсируются силами притяжения к ионам кристаллической решетки. Но из-за тепловых колебаний атомов в узлах решетки между электронами может появляться притяжение, и они способны создавать пары (куперовские пары).
Куперовские пары ведут себя как частицы с целочисленным спином, это значит, что они подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Куперовские пары способны к концентрации, и они создают течение сверхтекучей жидкости, то есть электрический ток в состоянии сверхпроводимости. Выше самого низкого энергоуровня расположена энергетическая щель, которую пары не могут преодолеть за счет энергии взаимодействия с остальными зарядами, следовательно, она не изменяет свое энергетическое состояние. Как следствие – сопротивление вещества равно нулю.
Процесс возникновения куперовских пар и создания сверхтекучей жидкости объясняет квантовая теория.
