СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ

Сверхпроводимостью называется понижение удельного электрического сопротивления некоторых материалов при близких к абсолютному нулю температурах, до не поддающихся измерению низких значении. Материалы, в которых наблюдается это явление, называются сверхпроводниками.

Явление сверхпроводимости открыл в 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес. Его открытие относится к самым значительным открытиям XX столетия.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с, характерного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электрическим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от источника тока.

Сверхпроводящее состояние в сверхпроводниках существует только при выполнении двух условий:

1. Температура сверхпроводника ниже, чем критическая температура (температура перехода) Т_кр.

B

Рисунок 27 - Критические параметры сверхпроводника I рода

2. Напряженность магнитного поля (или магнитная индукция) ниже, чем критическая напряженность магнитного поля Н_кр (или критическая магнитная индукция В_кр).

Критическая магнитная индукция В_кр зависит от температуры. Эта зависимость изображена на рисунке 27. Кривая, которая отделяет область сверхпроводящего состояния от несверхпроводящего («нормального»), называется граничной кривой.

Зависимость В_кр от температуры во многих случаях выражает формула

В_крТ = В₀[1-(T/T_кр)²],

где В_крТ — критическая магнитная индукция сверхпроводника при термодинамической температуре Т,

В₀ — критическая индукция при температуре Т=0,

Т_кр — критическая термодинамическая температура сверхпроводника при В = 0.

Критическая температура и критическая магнитная индукция являются важными параметрами сверхпроводника.

Критическая температура и критическая магнитная индукция сверхпроводников зависят от их структуры, почему эти показатели свойств можно изменять изменением структуры. Это подтверждается тем, что критические параметры сверхпроводников зависят от способа изготовления. В некоторых случаях эти показатели зависят и от толщины материала. Путем перехода к тонкопленочным структурам удалось повысить Т_кр и В_кр. Значения Т_кр и В_кр зависят и от давления, причем с ростом давления они могут как увеличиваться, так и уменьшаться. В некоторых материалах, например в кремнии, германии, теллуре (Si, Ge, Те), сверхпроводимость существует только при повышенных давлениях и после снятия давления исчезает.

Критические параметры можно увеличивать или уменьшать примесями. Это используется при поисках новых материалов с лучшими свойствами подбором состава материала.

Существует характерная связь критических параметров со степенью неоднородности материалов. У сверхпроводников I рода (чистые металлы), в которых неоднородности не превышают атомных размеров, критические параметры выражены очень резко и могут быть экспериментально определены с высокой точностью (сотые и тысячные доли Кельвина). В сверхпроводниках II рода (различные сверхпроводниковые сплавы и химические соединения), в которых неоднородности также не превышают атомных размеров, критические параметры выражены менее резко; для каждой температуры критическая магнитная индукция лежит в определенном интервале (рисунок 28). В сверхпроводниках III рода (сверхпроводниковые сплавы и соединения с неоднородностями, превышающими атомные размеры) критические параметры сильно зависят от степени неоднородности и способа обработки.

Рисунок 28 - Критические параметры сверхпроводника II рода

Критическая магнитная индукция в переменном электрическом поле зависит и от его частоты. В сверхпроводниках I рода сверхпроводящее состояние сохраняется до частот порядка десяти мегагерц. В сверхпроводниках II рода критические параметры в переменном поле существенно меньше, чем в постоянном поле.

Попытки технического использования явления сверхпроводимости были оставлены на несколько десятилетий, вплоть до открытия сверхпроводников с высокими значениями В_С0.

В 1933 году немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд сделали новое фундаментальное открытие: они обнаружили, что сверхпроводники при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками, т.е. их относительная магнитная проницаемость μ_r скачком падает от конечных значений, для подавляющего большинства сверхпроводников, весьма близких к 1, до значения μ_r=0. Поэтому внешнее магнитное поле не может проникать в сверхпроводящее тело (рисунок 29); если же переход этого тела в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника. Этот эффект был продемонстрирован в 1935 году
В.К. Аркадьевым в его знаменитом опыте с висящим магнитом. Когда магнит 1 (рисунок 30) опускают в чашку из находящегося в сверхпроводящем состоянии материала 2, этот магнит отталкивается от чашки и остается в уравновешенном состоянии в воздухе, не касаясь чашки. Аналогично можно заставить сверхпроводящее тело висеть над поверхностью магнита

Рисунок 29 - Эффект Майснера—Оксенфельда:

а — охлаждаемый шар из сверхпроводника в нормальном состоянии, помещенный в равномерное магнитное поле;

б — при переходе материала шара из нормального состояния в сверхпроводящее магнитное поле выталкивается из шара

Рисунок 30 - Опыт В.К. Аркадьева с «висящим магнитом»

1 — магнит, 2 — чашка из сверхпроводникового материала

Помимо сверхпроводниковых электромагнитов, которые в настоящее время производятся в большом количестве и применяются для самых разнообразных целей, можно отметить возможности использования сверхпроводников для создания электрических машин, трансформаторов и тому подобных устройств малой массы и габаритов, но с высоким КПД; линий электропередачи весьма больших мощностей на дальние расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр. Некоторые устройства памяти и управления основываются на переходе сверхпроводника в сверхпроводящее или нормальное состояние при изменении магнитной индукции (силы тока) или температуры. Эффект Майснера—Оксенфельда—Аркадьева может использоваться в работающих практически без трения подшипниках с «магнитной смазкой» (взаимным отталкиванием вала и подшипника), для магнитной подвески вагонов сверхскоростного железнодорожного транспорта и т.п.

Криопроводимостью называется чрезвычайно высокая проводимость некоторых металлов высокой чистоты в области очень низких температур, которые, однако, выше, чем критические температуры лучших из известных в настоящее время сверхпроводников. Криопроводимость связана с тем, что удельная электрическая проводимость металлов увеличивается с повышением чистоты и понижением температуры. Материалы, которые с этой точки зрения имеют особо выгодные свойства, называются криопроводниками. Удельное электрическое сопротивление криопроводников в области очень низких температур на три-четыре порядка меньше, чем при нормальной температуре (рисунок 31). Удельное сопротивление обычных металлов в области очень низких температур только примерно на один порядок меньше, чем при комнатной температуре.

Рисунок 31 - Температурная зависимость удельного электрического сопротивления криопроводников

Хотя криопроводники не могут равняться по удельной электрической проводимости со сверхпроводниками, они имеют некоторые преимущества.

Главным преимуществом криопроводников по сравнению со сверхпроводниками является то, что при использовании их нет необходимости добиваться температур, близких к абсолютному нулю, которые нужны для сверхпроводников. Это позволяет использовать более дешевые хладагенты—жидкий водород и даже жидкий азот вместо существенно более дорогого жидкого гелия. Это очень упрощает конструкцию и эксплуатацию установок с криопроводниками, упрощает их тепловую изоляцию и уменьшает расход энергии на охлаждение.

Криопроводники предпочтительнее с точки зрения безопасности в работе, так как резкие изменения температуры или магнитной индукции имеют следствием лишь постепенное изменение их удельной проводимости.

Недостаток криопроводников заключается в том, что в них наблюдается явление магнитосопротивления (увеличение удельного сопротивления в магнитном поле).

Допустимые плотности тока в криопроводниках на один-два порядка больше, чем для обычных проводниковых материалов. Это позволяет существенно уменьшить потери в электрических машинах, где криопроводники могут найти основное применение. Использование криопроводников позволяет существенно уменьшить размеры машины, чему способствует и то, что хладагенты имеют очень хорошие электроизоляционные свойства.

Из рисунка 31 видно, что для области температур жидкого водорода, т. е. около 20 К, лучшим криопроводником является чистый алюминий, а для области температур жидкого азота, т. е. около 77 К, — бериллий. Каждый из этих материалов имеет свои достоинства и недостатки.

Алюминий является дешевым и легкодоступным материалом, технология которого хорошо освоена. Влияние магнитного поля на его удельное сопротивление меньше, чем у бериллия. Его недостатком является то, что он требует охлаждения до температуры около 20 К, а это связано с применением более дорогого охлаждающего агента — жидкого водорода. Кроме того, водород в смеси с кислородом (воздухом) взрывоопасен, что является недостатком с точки зрения безопасности.

Бериллий является дорогим и дефицитным материалом со сложной технологией. Он должен обрабатываться в инертной атмосфере, так как при нагревании свыше 600°С сильно окисляется. Это хрупкий материал, а его некоторые соединения ядовиты. Достоинством бериллия является то, что он позволяет использовать более дешевый и легкодоступный хладагент — жидкий азот и уменьшить расход энергии на охлаждение. Из всех металлов бериллий имеет самый широкий температурный интервал остаточного удельного сопротивления (остаточное удельное сопротивление представляет собой минимально возможное удельное сопротивление несверхпроводниковых материалов). Этот металл (плотность около 1830 кг/м³) существенно легче алюминия (плотность около
2700 кг/м³).

Алюминий и бериллий считаются в настоящее время самыми перспективными криопроводниками.

В отличие от сверхпроводников, к которым принадлежат многие сплавы и соединения металлов, криопроводниками являются только чистые металлы с минимально возможным количеством дефектов кристаллической решетки. Так как сплавы в общем случае имеют меньший температурный коэффициент удельного сопротивления, чем чистые металлы, из которых, они состоят, их удельное сопротивление изменяется существенно меньше при переходе к очень низким температурам. По этой причине они не могут использоваться как криопроводники.