Сверхпроводимость

МОСКОВСКИЙ ГОРОДСКОЙ  УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ ПРАВИТЕЛЬСТВА  МОСКВЫ

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра информатики и информационных систем

Направление         «Информационные системы»

Форма обучения   очная

 

Реферат

по учебной дисциплине

«Физика»

на тему: «Сверхпроводимость»

Группа / курс            Информационные системы / 2

                                       (подпись)                                               (фамилия, инициалы)

Подпись

руководителя о

                                        (подпись)                             (учёная степень, звание, фамилия, инициалы)

 

Оценка               ______________

2011

 

Содержание

Введение 3

Явление сверхпроводимости 4

Свойства  сверхпроводников 6

Эффект Мейсснера 8

Квантовая основа 10

Высокотемпературная сверхпроводимость 13

Сверхпроводники I и II рода 14

Применение  сверхпроводников 17

Заключение 23

Список используемой литературы 24

 

 

Введение

Сверхпроводимостью называют необычное сочетание свойств  некоторых материалов, проявляющихся  при низких температурах. Главным  из этих свойств является практически  полное исчезновение электрического сопротивления  у многих металлов и сплавов, при  их охлаждении до температуры ниже некоторого уровня, называемого критическим.

Благодаря этому обстоятельству особое внимание к изучению свойств сверхпроводящих материалов проявляют разработчики самых разнообразных электротехнических устройств, которые находит применение в технике физического эксперимента, в медицине, энергетике, транспорте, в других отраслях науки и техники. Отсутствие электрического сопротивления и соответственно отсутствие потерь энергии при протекании электрического тока по сверхпроводникам позволяет достичь уникальных техническо-экономических характеристик устройств, которые являются абсолютно недостижимыми при использовании проводников, традиционно применяемых в электротехнике – меди, алюминия.

Главным ограничителем на пути более широкого и более быстрого распространения применения сверхпроводников является необходимость их охлаждения до низких температур. На сегодняшний день принято разделять все сверхпроводящие материалы на две большие группы. Первая из них – низкотемпературные сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при температурах в диапазоне от долей градуса Кельвина

до приблизительно 20°  К. У сверхпроводников второй группы, называемых

высокотемпературными, электрическое  сопротивление отсутствует вплоть до температур порядка 100° К. Сверхпроводники этих групп обладают различающимися свойствами и имеют свои области применения. Но в обоих случаях требуется применение особых мер для поддержания низкой температуры. 

Явление сверхпроводимости

Особую группу материалов высокой электрической проводимости представляют сверхпроводники. При  низких температурах (в настоящее  время по крайней мере ниже 18° К) определенные металлы и сплавы приобретают способность проводить ток без сколько-нибудь заметного сопротивления; такие твердые тела называются сверхпроводниками.

В 1908 г. в Лейденском университете, в лаборатории низких температур, под руководством голландского физика Камерлинг-Оннеса был получен жидкий гелий. Гелий отличается очень низкой температурой кипения (4,21⁰К), и поэтому его сжижение позволило изучать свойства веществ при температурах, ранее не доступных.

В 1911 г. Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости, изучение которого интенсивно продолжается до наших дней и составляет одно из важнейших направлений физики твердого тела. Оказалось, что при низкой температуре электрическое сопротивление многих металлов обращается в нуль (или по крайней мере так близко к нулю, что не наблюдалось ослабления тока в сверхпроводящем кольце в течение более чем года вплоть до прекращения эксперимента), в то время как такие прекрасные проводники, как золото и медь при тех же температурах имели весьма малое, но вполне измеримое остаточное сопротивление(10^-9 Ом*см). Для первого исследованного вещества—ртути этот барьер составил 4,15⁰К (это приблизительно - 269⁰С). Температуру Т_с, при которой происходит переход из нормального в сверхпроводящее состояние называют "критической" или "температурой перехода".

Сейчас выявлена  целая  группа  веществ–сверхпроводников. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства обнаруживают многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз. При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий (Т_с=9,220 К), а наиболее низкой – иридий ( Т_с = 0,1400 К). В таблице 1 приведен список некоторых известных в настоящее время сверхпроводников и температуры перехода их в сверхпроводящее состояние Т_с. Переход обычно происходит очень резко: сопротивление падает от своего нормального значения до нуля в интервале порядка 0,05° К.

 

 

Таблица 1. Сверхпроводники и их температуры перехода в сверхпроводящее состояние (ºK).

С понижением температуры  электрическое сопротивление всех металлов монотонно падает (рисунок 1). Однако есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление  при критической температуре  резко падает до нуля - материал становится сверхпроводником.

Рисунок 1. Изменение электрического сопротивления в металлах (М) и сверхпроводниках (М_св) в области низких температур.

Критическая температура  зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристалла. Например, серое олово является полупроводником, а белое олово - металлом, способным к тому же при температуре равной 3,72⁰ К переходить в сверхпроводящее состояние. Хорошие проводники (серебро, золото и некоторые другие) не обладают этим свойством, а многие другие вещества, которые в обычных условиях проводники очень плохие—наоборот, обладают. Для исследователей это явилось полной неожиданностью и еще больше осложнило объяснение этого явления. Основную часть сверхпроводников составляют не чистые вещества, а их сплавы и соединения. Причем сплав двух несверхпроводящих веществ может обладать сверхпроводящими свойствами.

Долгие годы «рекордсменом» был сплав ниобия и олова (18,1⁰К). Однако в 1967 г. был создан Nb₃Al_0,75Ge_0,25 (20,1⁰К). В 1973 создали пленку Nb3Ge (22,3⁰К). Сейчас созданы соединения на основе керамики из оксидов металлов, критическая температура у которых выше температуры сжижения азота и приближается к комнатной. Некоторые  вещества становятся сверхпроводниками  при высоком давлении.

 

Свойства  сверхпроводников

У сверхпроводников наблюдается резкая аномалия магнитных, тепловых и других свойств.

Наиболее общим свойством  сверхпроводников является существование  критической температуры сверхпроводимости Т_с, ниже которой электросопротивление вещества становится исчезающе малым. Согласно последним оценкам, верхний предел электросопротивления вещества в сверхпроводящем состоянии (т.е. при температуре ниже Т_с) составляет 10^-26 Ом·м. Наиболее перспективными с точки зрения технического применения являются сверхпроводники с высокой критической температурой. Ею обладают сплавы и соединения переходных металлов ниобия и ванадия.