Магнитные явления в Сверхпроводниках

 

Сверхпроводимость

 

Сверхпроводимость свойство проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры T_K. Свойством сверхпроводимости обладают более чем 25 металлов, а также сплавы, интерметаллические соединения, некоторые полупроводники и полимеры.

Сверхпроводники обладают аномальными свойствами. Прежде всего, это практически нулевое электрическое сопротивление, определить которое достаточно сложно, используя общепринятый метод вольтметра и амперметра. Например, сопротивление металлов в сверхпроводящем состоянии меньше, чем 10^-20 Ом см, хотя сопротивление чистых образцов Сu или Ag составляет около 10^-9 Ом см даже при температуре жидкого гелия. Это, во-первых, позволяет решать проблемы при передаче электроэнергии без потерь. Во-вторых, имеется возможности создания эффективных накопителей электроэнергии. Например, ток в замкнутом сверхпроводящем магнитном контуре ток будет незатухающим в течении длительного времени, поскольку сопротивление контура равно 0 и выделения тепла при этом не происходит. Происходит процесс «замораживания» тока.

Не менее важным является свойство сверхпроводников находиться в состоянии идеального диамагнетика. Однако это свойство не в является следствием диамагнетизма материалов, а вызывается процессом выталкивания магнитного поля за счет молекулярных токов. Эффект выталкивания магнитного поля называется эффектом Меснера - в честь одного из ученых, открывшего этот эффект. Вследствие эффекта Мейснера магнитная восприимчивость сверхпроводника km =-1, поэтомуон, в отличие от ферромагнитных материалов, выталкивается из магнитного поля, что представлено на рис 6.1.

Свойство выталкивания сверхпроводников из магнитного поля положено в основу диамагнитной левитации, необходимой для современных высокоскоростных транспортных систем.

 

 

Рис 6.1 Картина магнитного поля ферромагнетика и сверхпроводника, размещённых у полюса электромагнита.

 

 

Объяснить природу сверхпроводимости удалось лишь после многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. Основы физических явлений сверхпроводимости в упрощённом виде заключаются в следующем.

Сверхпроводящее состояние это макроскопическое квантовое состояние. При этом наблюдается эффект квантования магнитного потока. Например, магнитный поток внутри сверхпроводящего кольца может принимать лишь значения, кратные кванту потока Ф₀= hс/е*, где е* — заряд носителей сверхпроводящего тока. Оказалось, что е*=2е, где е — заряд электрона. Это объясняется тем, что при температурах меньших T_K два электрона с противоположными спинами, могут взаимодействовать за счёт обмена фононами. Фонон квазичастица, сопоставляемая волне смещения атомов или ионов и молекул кристалла из положений равновесия. Поэтому взаимодействие электронов происходит посредством кристаллической решетки, а сами электроныобразуют связанное состояние - куперовскую пару. Заряд такой пары равен 2е. Было доказано, что пары обладают нулевым значением спина и подчиняются законам квантовой статистики. В сверхпроводящем металле пары образуют т. н. бозе-конденсацию, которая обладает свойством сверхтекучести и поэтому явление сверхпроводимости представляет собой сверхтекучесть электронной жидкости. Объяснение сверхтекучести заключается в том, что в сверхпроводниковом состоянии (при T < T_K) силы притяжения между электронами преобладают над силами отталкивания. Пары не могут двигаться независимо друг от друга, как электроны проводимости в металле, которые находятся в нормальном ("одиночном") состоянии. Каждая электронная пара, взаимодействуя со всеми остальными, движется строго согласовано со всей совокупностью таких же пар.

В отсутствие тока во всех куперовских парах спин равен нулю, так как пары образованы электронами, имеющими равные по величине, но противоположные по направлению спины. Под действием же внешнего источника, вызвавшего ток, все куперовские пары, не нарушая корреляции, приобретают один и тот же импульс и движутся как единый коллектив (суммарная волна) в одном направлении с некоторой дрейфовой скоростью. Электроны проводимости испытывают рассеяние на тепловых колебаниях решетки и других ее дефектах, что приводит к возникновению электрического сопротивления. Куперовские же пары, пока они не разорваны, рассеиваться на тепловых колебаниях и других дефектах решетки не могут. Не испытывая рассеяния при своем движении, куперовские пары и обусловливают сверхпроводимость.

При температурах выше 0 К куперовские пары под действием тепловых колебаний решетки (фононов) начинают медленно разрушаться и электроны переходят в нормальное ("одиночное") состояние. Чем ближе температура сверхпроводника к его критической температуре T_K, тем все большее число куперовских пар разрушено, и при T = T_K все они разрушаются и сверхпроводимость пропадает.

Сверхпроводимость можно также разрушить, увеличивая плотность тока в сверхпроводнике до критического значения, называемого критической плотностью тока J_K. При J= J_K, энергия куперовской пары достигает величины, достаточной для ее разрушения.

Сверхпроводимость разрушается также магнитным полем, что непосредственно вытекает из существования J_K. При помещении сверхпроводника в магнитное поле в его тонком поверхностном слое наводится незатухающий электрический ток, который с увеличением напряженности магнитного поля растет и при достижении значения J_K сверхпроводимость исчезает, так как разрушаются куперовские пары. Напряженность магнитного поля, при которой разрушается сверхпроводимость, называют критической напряженностъю Н_К (или критический магнитной индукцией B_K ). Чем больше значение Н_К ( B_K ) сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные свойства, тем при больших плотностях тока его можно использовать. Критическая температура T_K и критическая напряженность магнитного поля Н_К являются взаимозависимыми величинами. При увеличении температуры сверхпроводника Н_К (и B_K ) уменьшается. Поэтому максимальная температура перехода T_K в сверхпроводниковое состояние достигается при ничтожно малом значении напряженности магнитного поля.

На сверхпроводимость также влияет частота электромагнитного поля. Начиная с некоторой граничной частоты F_К, обычно составляющей десятки-сотни Гц куперовские пары разрушаются и соответственно разрушается сверхпроводимость, в результате материал становится обычным проводником.

Свойства сверхпроводников характеризуют кривыми намагничивания J(H) и диаграммами фазового состояния Н(T). Типичный вид указанных характеристик представлен на рис 6.2.В зависимости от характера M(H), Н(T) сверхпроводники подразделяются на сверхпроводники 1^го,2^го и 3^го рода.

Рис 6.2. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводников 1^го (а) и 2^го рода (б). Св- состояние сверхпроводимости; См -смешанное состояние; П –проводниковое, нормальное состояние.

У сверхпроводников 1^го рода происходит резкое изменение состояния проводник-сверхпроводник как в сторону снижения температуры, так и в сторону её повышения относительно T_K . Характерно, что и эффект Мейснера – резко исчезает при Н=Н_К. Сверхпроводник 1^го рода может находиться только в 2х состояниях проводник или сверхпроводник.

У сверхпроводников 2го рода в процессе перехода происходит постепенное уменьшение магнитного момента на протяжении значительного интервала полей от H_K — нижнего критического поля, когда оно начинает проникать в толщу образца, и до верхнего критического поля H_см, при котором происходит полное разрушение сверхпроводящего состояния. В большинстве случаев кривая намагничивания такого типа необратима (наблюдается магнитный гистерезис). Поле Hсм часто оказывается весьма большим, достигая сотен тысяч эрстед ( 1 эрстед =79, 57 А/М).

Такоесвойство сверхпроводников 2-го рода теория сверхпроводников объясняет тем, что поверхностная энергия отрицательна. При отрицательной поверхностной энергии уже при H<H_K энергетически выгодным является образование тонких областей нормальной фазы, ориентированных вдоль магнитного поля и которые пронизывают сверхпроводник по глубине сравнимой с глубиной проникновения магнитного поля. При увеличении внешнего поля концентрация нитей возрастает, что и приводит к постепенному уменьшению магнитного момента. Т. о., в интервале значений поля от H_K до Hсм сверхпроводник 2го рода находится в состоянии, которое принято называть смешанным.

Сверхпроводники IIIрода. Сверхпроводниками III рода являются сверхпроводники II рода, которые имеют крупные неоднородности (дефекты решетки и примеси); их называют "жесткими" сверхпроводниками. При пластическом деформировании, например протяжке, в кристаллической решетке резко увеличивается концентрация дефектов. В результате критическая плотность тока J_к возрастает на несколько десятичных порядков. К "жестким" сверхпроводникам относится обширная группа сплавов и химических соединений на основе ниобия и ванадия.

6.2. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)

Рассмотренные выше сверхпроводники, в том числе сверхпроводники III рода, имеют все же весьма низкие критические температуры T_K (T_K<24 К). Поэтому установки, в которых их используют, необходимо охлаждать жидким гелием, что сложно и дорого (жидкий гелий дороже жидкого азота более чем в 30 раз). Для практического использования нужны сверхпроводники, которые могли бы работать при температуре жидкого азота ( T_K = - 195,6°С) и выше. Получение сверхпроводников с критической температурой, равной комнатной температуре и выше, привело бы к подлинной революции в электро- и радиотехнике.

В 1986-1987 г.г. произошел научный прорыв - ряд ученых в Швейцарии, СССР, Японии, США, Китая независимо друг от друга получили принципиально новый сверхпроводниковый материал - керамику, имеющую температуру перехода в сверхпроводниковое состояние выше 30 К. Первыми, получившими керамические ВТСП, являются швейцарские ученые К.Мюллер и Дж.Беднорц, удостоенные за это открытие Нобилевской премии. На сегодняшний день известны несколько высокотемпературных сверхпроводящих керамик с общими формулами: лантановая керамика (La_1-X Ва)₂СиО_1-Y, имеющая T_K =56 К, иттриевая Y-Ва-Си-О, имеющая T_K =91 К, висмутовая Bi-Sr-Са-О — T_K = 115 К, таллиевая Т1-Ва-Са-Си-О — T_K = 119 К и, наконец, ртутная Нg-Ва-Са-Си-О — характеризуется максимальной T_K =135 К. В последние годы разработана технология получения текстурированной керамики, которая позволила увеличить критическую плотность тока J_K на порядки. Например, у текстурированной иттриевой керамики при температуре 77 К в магнитном поле, имеющим магнитную индукцию В = 1 Тл, J_K =10⁸ А/м², а в тонких (h=0,2 мкм) пленках J_K достигает несколько единиц 10¹⁰ А/м² и, что важно, слабо зависит от индукции магнитного поля.

Сверхпроводящие керамические системы состоят из сверхпроводящих гранул, которые характеризуются достаточно высокой J_K. Однако межгранульное пространство имеет невысокую J_K и поэтому снижает критическую плотность транспортного тока ВТСП, что затрудняет их применение в технике. Кроме того, J_K межгранульного пространства зависит от индукции магнитного поля.

Криопроводники

Криопроводниками называют металлические проводники, удельное сопро-тивление которых при охлаждении снижается плавно, без скачков, и при криогенных температурах (при Т <-195°С) становится на несколько десятичных порядков ниже, чем при нормальной температуре. При глубоком охлаждении металлического проводника его сопротивление снижается потому, что уменьшаются тепловые колебания кристаллической решетки и, следовательно, уменьшается рассеяние электронов проводимости на этих колебаниях. При очень низких температурах составляющая удельного сопротивления, вызванная рассеянием электронов на тепловых колебаниях кристаллической решетки, становится пренебрежимо малой и сопротивление в основном обусловливается искажениями решетки, вызванными наличием примесей и наклепа. Поэтому металлы, используемые в качестве криопроводников, должны быть хорошо отожженными и иметь высокую степень чистоты.

В отличие от сверхпроводников, удельное сопротивление криопроводников при охлаждении в широком интервале температур снижается плавно, без скачков, что дает свои преимущества перед сверхпроводниками. Например, случайное повышение температуры сверхпроводника выше его T_K повлечет внезапное выделение большого количества энергии, что приведет к аварийной ситуации. В случае же криопроводников случайное повышение температуры повлечет лишь постепенное, плавное повышение удельного сопротивления.

На рис. 6.3 представлены температурные зависимости удельного сопротивления для двух практически наиболее важных проводниковых металлов - меди и алюминия, а также для бериллия. Из рисунка видно, что, во-первых, удельное сопротивление у Сu, А1 и Ве при криогенных температурах существенно ниже, чем при нормальной температуре, особенно у особо чистых Сu и А1, и, во-вторых, при температуре жидкого водорода, наиболее эффективными в качестве криопповолникя являются особо чистые Сu и А1, а при температуре жидкого азота - технически чистый Ве (примесей не более 0,1%). Однако бериллий дорог, высокотоксичен (особенно в пылевидном состоянии), малотехнологичен и имеет сильно выраженный магниторезистивный эффект. Поэтому в качестве криопроводника более рационально использовать алюминий, так как он более доступен, недорог, высокотехнологичен и имеет низкое удельное сопротивление в рабочем интервале температур. Например, алюминий марки А999 (А1 не менее 99,999%) при температуре жидкого гелия (-269°С) имеет удельное сопротивление не более (1-2) 10^-12 Ом м. Криопроводники в основном применяют в качестве токопроводящих жил проводов и кабелей, работающих при температурах жидкого водорода (-252,6°С), неона (-245,7°С) или азота (-195,6°С).

 

 

Рис 6.3 Температурные зависимости удельного сопротивления криопроводников. 1,2 –особо чистые медь и алюминий;1’, 2’ –обычные проводники медь и алюминий соответственно, 3-беррилий; 4-натрий. Стрелками обозначены температуры кипения азота и водорода.

 

 

Приложения.

Приложение 1. Некоторые характеристики магнитомягких материалов

Материал	mнач	mmax	HC,А/м	Bs/Нs	r,Ом м
Чистое железо		3500-4500	40-100	2,18/5 104	10-7
Электротехническая сталь	200-600	3000-8000	10-65	1,89/104	(6-2,5)10-7
Никель-цинковые ферриты	10-2 000	40-7000	1700-8	0,2-0,35	108
Марганец-цинковые ферриты	700-20000	1 800-35 000	28-0,25	0,15-0,46	10-3
Низконикеливые пермалои	2000-4000	15000-60000	5-32	1,3-1,6	9 10-7
Высоконикеливые пермалои	15000-100000	70000-300000	0,65-4	0,7-0,75	8 10-7

 

 

Приложение 2. Магнитные свойства некоторых марок низкоуглеродистой электротехнической стали (ГОСТ 11036-75)

 

Марка стали	Hc, А/м	mmax	Магнитная индукция при напряженности поля H, кА/м в замкнутой цепи
0,5		2,5
			1,38	1,5	1,62	1,71		2,05
10864,20864		-	1,4	1,5	1,60	-	-	-
10880,20880		-	1,36	1.47	1,57	-	-	-
20895,21895		-	1,32	1,45	1,54	-	-	-
10895,11895			1,38	1,50	1,62	1,71		2,05

 

Приложение 3. Магнитные свойства электротехнической стали, применяемой в машиностроении (ГОСТ 21427.0-ГОСТ 21427.3-75)

Марка стали	Толщина листа	Магнитная индукция В при напряжённости поля H,кА/м	Удельные потери,Вт/кг	r, мкОм м
B 1	B 2,5	B 5	B 10	B 30	P 1,0/50	P 1,5/50
Горячекатаная сталь
	0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,35 0,35 0,5 0,5 0,5 0,5 0,35 0,35 0,35 0,35	- - - - - - - - - - - 1,3 1,29 1,29 1,29 1,3 1,29 1,29 1,29	1,53 1,53 1,53 1,50 1,50 1,48 1,48 1,46 1,46 1,46 1,46 1,46 1,45 1,44 1,44 1,46 1,45 1,44 1,44	1,63 1,62 1,64 1,62 1,62 1,59 1,59 1,57 1,57 1,57 1,57 1,57 1,56 1,55 1,55 1,57 1,56 1,55 1,55	1,76 1,76 1,76 1,75 1,75 1,73 1,73 1,72 1,71 1,71 1,71 1,70 1,69 1,69 1,69 1,7 1,69 1,69 1,69	2,00 2,00 2,00 1,98 1,98 1,95 1,95 1,94 1,92 1,92 1,92 1,90 1,89 1,89 1,89 1,90 1,89 1,89 1,89	5,8 5,4 3,3 3,1 2,8 2,5 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,55 1,4 1,25 1,15 1,35 1,2 1,05 0,9	13,4 12,5 7,7 7,2 6,5 6,1 5,3 4,4 3,9 3,6 3,2 3,5 3,1 2,9 2,7 3,0 2,8 2,5 2,2	0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
Холоднокатаная изотропная сталь
	0,65 0,5 0,5 0,5 0,35	1,48 1,49 1,38 1,35 1,35	1,6 1,6 1,54 1,5 1,5	1,7 1,7 1,64 1,6 1,6	1,8 1,8 1,74 1,7 1,7	2,02 2,02 1,96 1,95 1,95	3,8 3,5 1,9 1,3 1,15	9,0 8,0 4,4 3,1 2,5	0,17 0,17 0,25 0,5 0,5
Холоднокатаная анизотропная сталь
Марка	Толщина, мм	B 0,1	B 0,25	B 2,5	P 1/50	P 1,5/50	P 1,7/50	r, мкОм м
	0,5 0,5 0,5 0,5 0,35 0,3 0,28	- - - 1,6 1,61 1,61 1,61	- - - 1,7 1,71 1,71 1,7	1,75 1,85 1,88 1,9 1,9 1,9 1,9	1.1 0,95 0,8 0,7 0,46 - -	2,45 2,1 1,74 1,5 1,03 0,97 0,89	3,2 2,8 2,5 2,2 1,5 1,4 1,3	0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Приложение 4. Электромагнитные свойства сталей, предназначенных для работы в средних полях при частоте 400 Гц (ГОСТ 21427-75 и ГОСТ 21427А-78)

Тонколистовая горячекатаная изотропная сталь
Марка стали	Толщина листа, мм
В 0,5	В 1,0	В 2,5	Р 0,75/100	Р 1/400	r, мкОм м
	0,35 0,22 0,2 0,1	1,21 1,2 1,2 1,19	1,3 1,29 1,29 1,28	1,44 1,42 1,42 1,4	10,7 8,0 7,2 6,0	19,5 14,0 12,5 10,5	0,57 0,57 0,57 0,57
Холоднокатаная анизотропная сталь
Марка стали	Толщина листа, мм	В 0,04	В 0,08	В 0,2	В 0,4	В 1,0	В 2,5	Hc A/м	Р 0,75/400	Р 1,0/400	r,мкОм м
	0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15	0,4 0,55 0,8 0,8 1,050,5 0,6 0,8 0,83 1,1	0,75 0,9 1,05 1,1 1,3 0,8 0,95 1,1 1,1 1,35	1,1 1,25 1,4 1,4 1,5 1,1 1,25 1,4 1,4 1,5	1,25 1,35 1,5 1,55 1,65 1,3 1,4 1,55 1,55 1,65	1,45 1,55 1,65 1,65 1,75 1,45 1,55 1,65 1,65 1,75	1,7 1,75 1,82 1,82 1,82 1,7 1,75 1,82 1,82 1,82	- - - -	- - 7,5 - - -		0,5

 

Приложение 5. Электрические свойства магнитных материалов

Материал	Удельное электрическое сопротивление r мкОм м	Температурный коэффициент электрического сопротивления a, 10-3 К-1
Железо техническое     Кобальт технический Никель технический	0,097 (200С) 0,064 (00С) 0,093 (1000С) 0,32 (5000С) 0,068 (0-1000С)	6,2 6,0(00С) 7,4(1000С) 13,8 (5000С) 6,7

 

Приложение 6. Влияние примесей на удельное электрическое сопротивление.

Примесь		r 10-4 мкОм см	r Ý 10-4 мкОм см	r ß 10-4 мкОм см
Кобальт
Fe Mn Cr V Ti	0,8 0,3 1,4	0,5 5,5 1,8 3,8 4,5	0,54 7,3 7,7 7,6	6,7 2,4 7,7
Железо
Ni Co Mn Cr Ti	3,7 1,37 0,9, 0,17 0,17,0,37 0,25, 0,66	2±0,2 0,9±0,1 1,5±0,2 2±0,2 0,9±0,1	2,4±0,2 1,6 ±0,4 13±0,1 12,5±6 10,5±4	12±5 3,3 ±1,3 1,7 ±0,2 2,8 ±0,2 1,3 ±0,3
Никель
Co Fe Mn Cr V Ti	6,3 0,21 0,45 0,9	0,16 0,36 0,7 4,4 3,3	0,18 0,4 0,75 5,6	3,5 7,5 6,5 6,7 10,5

 

 

⇐ Предыдущая12345678

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: