Suprajohtavuus, ilmiö, löytö, teoria ja sovellukset

Suprajohtavuus, ilmiö, löytö, teoria, sovellus, suprajohtavuus ja lämpötila.

Suprajohtavuus on ominaisuus, jolla tietyillä materiaaleilla on täysin nolla sähkövastus, kun ne saavuttavat lämpötilan alle tietyn arvon (kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi).

Kuvaus. Suprajohtavuuden ilmiö

Suprajohtavuuden löytäminen

Luonto, suprajohtavuuden selitys ja teoria

Luokittelu, suprajohteiden tyypit ja käyttötavat

Metallien suprajohtavuuden lämpötila, seokset ja muut materiaalit

Suprajohteiden ominaisuudet

Suprajohtavuuden soveltaminen


Kuvaus. Suprajohtavuuden ilmiö:

Suprajohtavuus on ominaisuus, jolla tietyillä materiaaleilla on täysin nolla sähkövastus, kun ne saavuttavat lämpötilan alle tietyn arvon (kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi).

Suprajohtavuus omistaa metallit ja niiden seokset, puolijohteet, ja keraamiset materiaalit ja muut aineet. Yhdellä on jopa suprajohtavia seoksia ja materiaaleja elementtejä tai kaikki elementitsen kokoonpanoon, eivät välttämättä ole suprajohteita. Esimerkiksi, sulfidi, elohopean kirkkaus kullalla ja tinalla.

Suprajohtava tila materiaalissa ei tapahdu vähitellen, vaan harppauksin - kun lämpötila on kriittisen lämpötilan alapuolella. Tämän lämpötilan yläpuolella metalli, seos tai muu materiaali on normaalissa tilassa, ja sen alapuolella - suprajohtavassa. Joillekin aineille siirtyminen suprajohtavaan tilaan on mahdollista tietyissä ulkoisissa olosuhteissa, esimerkiksi, saavutettuaan tietty paine-arvo.

Suprajohtavuus ilmiönä liittyy useita vaikutuksia. Erittäin tärkeitä ovat kaksi niistä: sähkövastuksen katoaminen ja magneettivuon karkottaminen (ala) sen soveltamisalasta. Siksi, se on ensiarvoisen tärkeää paitsi kriittiselle virralle, ja kriittinen magneettikenttä on tietty arvo magneettikentästä, jolla suprajohde menettää suprajohtavuutensa.

Suprajohtavuuden ilmiö voidaan osoittaa käytännössä. Jos otat kapellimestarin, silmukka sitä, tehdä suljettu sähköinen piiri, jäähdyttämällä se alle kriittisen lämpötilan ja tuomaan hänelle sähkövirta, ja poista sitten sähkövirta, tällaisessa johtimessa oleva sähkövirta on olemassa rajoittamattoman ajan.

Tällä hetkellä saatavilla suprajohteet, joilla on suprajohtavuus huoneen lämpötilassa.

Suprajohtavuuden löytäminen:

Suprajohtavuuden ilmiö löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1911 hollantilainen fyysikko Heike kamerlingh Onnes tutkimalla metallien sähkövastuksen riippuvuutta lämpötilasta.

Erittäin alhaiset lämpötilat, joista hän kiinnostui takaisin 1893, kun hän perusti kryogeenisen laboratorion.

Sisään 1908 hän onnistui saamaan nestemäistä heliumia.

Jäähdytys sen kanssa, metallinen elohopea, hän yllätti huomatessaan, että lämpötila oli lähellä absoluuttista nollaa (4,15 K), sähköinen vastus (R) elohopean määrä laskee äkillisesti nollaan.

Sisään 1912 löydettiin nämä kaksi metallia suprajohtavaan tilaan matalissa lämpötiloissa, lyijy ja tina.

Myöhemmin avattiin ja muut suprajohteet.

Luonto, suprajohtavuuden selitys ja teoria:

On huomattava, että täysin tyydyttävä suprajohtavuuden teoria puuttui tällä hetkellä.

Sisään 1957, George. Bardin, L. Cooper ja J. Sniffer ehdotti ns. BCS-teoriaa (Bardeen - Cooper - shriffer).

Sähkövirta on elektronien liike. Tavallisessa johtimessa, elektronit liikkuvat yksittäin ja voittavat itsenäisesti erilaisia ​​esteitä polullaan. Liikkeen aikana, ne törmäävät toisiinsa ja kideverkkoon ja menettävät energiansa. Täten, johtimessa johtuen erilaisista esteistä sähköinen vastus.

Elektronit normaaleissa olosuhteissa pyörivät ottamalla arvon -1/2 tai +1/2. Mutta tietyissä olosuhteissa (kun lämpötila on alle kriittisen), ne muodostavat parin. Elektroneja, joiden spin-arvo on vastakkainen, houkutellaan toisiinsa. Näitä koulutettuja pareja kutsutaan myös Cooper-pariksi. Tällä parilla on nolla spin ja kaksinkertainen elektronivaraus. Koska tämän parin kokonaiskierros on nolla, silloin sillä on bosonin ominaisuudet. Bosonit muodostavat a kondensaatti Bose-Einstein, liittyi kaikkiin ilmaisiin pomoihin, ja ovat samassa kvanttitilassa. Heistä tulee yksi kokonaisuus, pystyy liikkumaan törmäämättä ristikkoon ja jäljellä oleviin elektroneihin, tuo on, ilman energian menetystä, ilman sähköistä vastusta. Joten siellä on suprajohtavuuden vaikutus.

kuitenkin, tämä teoria ei voi selittää suprajohtavuutta korkeissa lämpötiloissa (korkean lämpötilan suprajohtavuus).

Luokittelu, erityyppiset suprajohteet:

Kriittisessä lämpötilassa suprajohteet jaetaan mataliin lämpötiloihin, jos kriittinen lämpötila on alle 77 K (-196 ° C) ja korkea lämpötila.

Erotuslämpötila on typen kiehumispiste, mikä on 77.4 K (-195,75 ° C).

Tällä jaolla on käytännön arvoa. Ensimmäisessä tapauksessa, jäähdytys tehdään nestemäiseksi tai kaasumaiseksi heliumiksi, ja toisessa tapauksessa - halvempi neste tai kaasumainen typpi.

Suprajohteiden vaste magneettikentälle ne ovat tyypin I ja II suprajohteita.

Ensimmäisen tyyppiset suprajohteet saavuttavat vain tietyn magneettikentän arvon (niin kutsuttu kriittinen magneettikenttä Hc) menettävät suprajohtavuutensa. Tähän suprajohtimen ympärillä olevan magneettikentän arvoon, ja se tunkeutuu liikaa ja johdin menettää suprajohtavuutensa.

Onko tyypin II suprajohteilla kaksi kriittistä magneettikentän arvoa Hc1 ja Hc2. Kun ensimmäisen kriittisen arvon Hc1 magneettikenttä, magneettikenttä tunkeutuu osittain suprajohtimen runkoon, mutta suprajohtavuus säilyi. Toisen kriittisen kentän Hc2 yläpuolella, suprajohtavuus tuhoutuu kokonaan. Magneettikentät ensimmäisestä toiseen kriittiseen arvoon suprajohteessa on pyörrevirta magneettinen ala.

Suprajohteiden materiaali on jaettu puhtaisiin elementteihin, seokset, keramiikka, rautaan perustuvat suprajohteet, orgaaniset suprajohteet, jne.

Metallien suprajohtavuuden lämpötila, seokset ja muut materiaalit:

Materiaalit Kriittinen lämpötila, K Kriittiset kentät (klo 0 K), GS (e *)
1. luokan suprajohteet Hc
Rodium 0,000325 0,049
Volframi 0,012 1*
Hafnium 0,37 - **
Titan 0,39 60
Rutiini 0,47 46*
Kadmium 0,52 28
Kuutiomainen zirkonium 0,55 65*
Osmium 0,71 46,6*
Uraani 0,8 - **
Sinkki 0,85 53
Rodium 0,9 - **
Gallium Of 1.08 59
Alumiini 1,2 100*
Renium 1,7 188*
Kaksikerroksinen grafeeni ~1,7 500
Seos AI-Bi 1,84 - **
Tallium 2,37 180
Indium 3,41 280
Usko 3,72 305
Merkurius 4,15 411
Tantaali 4,5 830*
Vanadiini 4,89 1340*
Platina 7,19 803
Teknetium 11,2 - **
H2S (rikkivety) 203 paineessa 150 GPA 720 000
Toisen tyyppiset suprajohteet Hc1 Hc2
Niobium 9,25 1735 4040
Nb3Sn 18,1 220 000
Nb3Ge 23,2 400 000
Pb1Mo5,1S6 14.4 V 600 000
YBa2Cu3O7 93 1000*** 1 000 000***
HgBa2Ca2Cu3O8 + x 135 - ** - **

Huomautus taulukkoon:

* merkityille materiaaleille * OE-kentässä määritetyn kentän kriittinen arvo (Oersted), muulle GS: lle (Gauss).

** - ei dataa.

*** Ekstrapoloitu absoluuttiseen nollaan.

Suprajohteiden ominaisuudet:

1. Nolla sähkövastus.

Tarkkaan ottaen, suprajohteiden vastus on nolla vain jatkuvalle sähkövirralle. Suprajohteiden resistanssi kulkiessaan niiden läpi vaihtovirta on nolla ja kasvaa lämpötilan noustessa.

2. Suprajohteiden kriittinen lämpötila.

3. Kriittiset magneettikentän suprajohteet.

Tämä magneettikentän arvo, jonka yläpuolella suprajohde menettää suprajohtavuutensa ja siitä tulee normaalille johtimelle tyypillinen normaalitila.

Kriittisen magneettikentän arvo vaihtelee suprajohtimen materiaalista riippuen ja voi vaihdella useista kymmenistä Gaussista useisiin satoihin tuhansiin Gauss. Materiaalien suprajohtavuuden arvotaulukossa ilmoitetaan kriittinen magneettikenttä absoluuttisen nollan lämpötilassa (0 K).

Kriittinen magneettikriittinen lämpötila on yhteydessä toisiinsa. Kun suprajohteen kriittisen magneettikentän lämpötila laskee. Siirtymälämpötila suprajohtavasta tilasta kriittisen magneettikentän normaalitilaan on nolla, ja absoluuttisella nollalla se on mahdollista.

Kriittisen kentän riippuvuus lämpötilasta hyvällä tarkkuudella kuvataan lausekkeella:

NS(T) = FNL · (1 - T2 / Tc2)

missä NS(T), kriittinen magneettikenttä tietyssä lämpötilassa, NSO - kriittinen kenttä nollalämpötilassa, T on määritetty lämpötila, TC - kriittinen lämpötila.

Tyypin II suprajohteille, määritämme kaksi magneettikentän arvoa. Lisäksi on helppo nähdä, mikä jättikenttä kykenee kestämään tyypin II suprajohteet tuhoamatta suprajohtavuutta.

4. Kriittinen virta suprajohteissa.

Tämä arvo on suurin tasavirta, joka kestää suprajohteen menettämättä suprajohtavaa tilaa. Kun tämä arvo ylitetään, suprajohde menettää suprajohtavuutensa.

Kriittisenä magneettikenttänä, kriittinen virta on kääntäen verrannollinen lämpötilaan riippuvaan, vähenee sen lisääntyessä.

5. Suprajohteen magneettikentän karkottaminen sen tilavuudesta.

Tätä ilmiötä kutsuttiin Meissner-efektiksi löytäjän nimen jälkeen.

Meissner-ilmiö tarkoittaa täydellistä karkottamista magneettista kentät johtimen tilavuudesta sen siirtyessä suprajohtavaan tilaan. Suprajohteen sisällä magnetointi on yhtä suuri kuin nolla. Ensimmäistä kertaa ilmiö havaittiin vuonna 1933, saksalaiset fyysikot W. Meissner ja R. Oxfield.

kuitenkin, kaikilla suprajohteilla ei ole täydellistä Meissner-vaikutusta. Aineita, joilla on täydellinen Meissner-vaikutus, kutsutaan ensimmäisen tyyppisiksi suprajohteiksi ja toisen luokan murto-suprajohteiksi. Suprajohteiden magneettikenttä Hc1 - Hc2 tunkeutuu ja toimii Abrikosov-pyörteiden muodossa. kuitenkin, On huomattava, että matalissa magneettikentissä (pienemmät Hc: n ja Hc1: n arvot ) Meissner-ilmiön täydentämiseksi kaikentyyppiset suprajohteet.

Magneettikentän puuttuminen suprajohteen tilavuudesta tarkoittaa sitä sähköinen virta virtaa vain suprajohteen pintakerroksessa.

6. Tunkeutumissyvyys.

Tämä on etäisyys, jolla magneettivuo tunkeutuu suprajohtimeen. Tyypillisesti, tätä arvoa kutsutaan andonovskin tunkeutumissyvyydeksi (Lontoon veljien jälkeen).

Tunkeutumissyvyys on lämpötilan funktio, on suoraan verrannollinen häneen ja erilainen eri materiaaleissa.

Perustuu Meissner-vaikutuksen toimintaan, magneettikenttä erotetaan suprajohteesta sen pintakerroksessa kiertävien virtojen avulla, jonka paksuus on suunnilleen sama kuin tunkeutumissyvyys. Nämä virrat luovat magneettikentän, jota kompensiruet-kenttä levitti ulkopuolelta, ei anna hänen päästä sisälle.

Saavutettuaan magneettikentän kriittisen arvon se tunkeutuu täysin tunkeutumissyvyyteen ja sieppaa koko suprajohtimen.

7. Koherenssin pituus.

Tämä on etäisyys, jolla elektronit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, suprajohtavan tilan luominen. Koherenssipituuden sisällä olevat elektronit liikkuvat konsertissa - johdonmukaisesti (ikään kuin “ylös”).

8. Ominaislämpö.

Tämä arvo osoittaa lämpötilan nostamiseen tarvittavan lämmön määrän 1 grammaa ainetta 1 K.

Suprajohteen ominaislämpö äkillisesti (yhtäkkiä) nousee lähellä siirtymälämpötilaa suprajohtavaan tilaan, ja nopeasti (yhtäkkiä) laskee lämpötilan laskiessa. Toisin sanoen, Siirtymäalueella aineen lämpötilan nostaminen suprajohtavassa tilassa vaatii enemmän lämpöä kuin normaalisti, ja hyvin matalissa lämpötiloissa - päinvastoin.

Suprajohtavuuden soveltaminen:

- voimakkaiden magneettikenttien saamiseksi. Koska suprajohde on kulkenut voimakkaisiin virtauksiin, luoden vahvan magneettikentän, ei lämpöhäviöitä. Vahvan magneettikentän saamiseksi käytetään tyypin II suprajohteissa, koska niille kriittinen magneettikenttä HC2 on erittäin suuri,

sähkökaapeleissa ja voimajohdoissa (sähkölinjat). Niin, yksi ohut sähköjohto suprajohteesta, joka kykenee siirtämään sähkövirtaa siirtoa varten, on yleensä johtimen oltava kooltaan suuri (halkaisija),

- suurvirtageneraattoreissa ja moottorit,

- mittauslaitteissa,

Maglie (magneettinen levitaatiojuna).

© Kuva ,