Сверхпроводники и криопроводники

Как уже отмечалось, при понижении температуры удельное сопротивление ρ металлов монотонно уменьшается. Электропроводность металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю имеет свои особенности. Оказалось, что есть такие металлы, у которых значение при некоторой критической температуре T_C скачком падает до ничтожно малой величины, не поддающейся измерению ( становится меньше чем 5∙10^-24 Ом∙м), т.е. удельное сопротивление падает практически до нуля (рисунок 35).

Рисунок 35. Изменение удельного сопротивления в обычных металлах (1) и сверхпроводниках (2) в области низких температур.

Это явление открыл в 1911г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес. Измеряя сопротивление замороженного ртутного кольца в зависимости от понижаемой температуры, он обнаружил, что при охлаждении кольца до температуры 4,2К сопротивление его внезапно, резким скачком падает практически до нуля. Это явление практически полного исчезновения электрического сопротивления, т.е. появление практически бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью, а температура Т_С, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние – температурой сверхпроводящего перехода. Иногда температуру Т_С сверхпроводящего перехода называют критической температурой.

Отметим, что в рассматриваемом случае речь идет о сопротивлении R постоянному электрическому току. При R=0 разность потенциалов на любом отрезке сверхпроводника равна нулю и электрическое поле внутри сверхпроводящего материала отсутствует. Электроны, создающие электрический ток, в этом случае движутся с постоянной скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов решетки и ее дефектах. Энергия на ускорение электронов затрачивается только один раз в начале, в дальнейшем же поступления энергии извне не требуется.

Если же к сверхпроводнику прикладывается переменное электрическое поле, то в каждый полупериод ток должен менять свое направление. Следовательно, в сверхпроводнике должно существовать электрическое поле, которое бы периодически замедляло электроны, движущиеся в одном направлении, после чего ускоряло бы их в противоположном направлении. Естественно, что для этого должна поступать определенная энергия от внешнего источника питания. Следовательно, электрическое сопротивление на переменном напряжении в сверхпроводящем состоянии не будет равно нулю. Однако ввиду того, что масса электронов очень мала, затраты энергии на частотах вплоть до нескольких гигагерц практически ничтожны и данное положение имеет значение только в теоретическом плане.

Позже, кроме ртути, были обнаружены и многие другие материалы, среди которых оказались не только чистые металлы, но и различные сплавы и химические соединения, способные при охлаждении до достаточно низкой температуры переходить в сверхпроводящее состояние. Такие материалы получили общее название сверхпроводников.

Отметим, что при нормальных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. В то же время, некоторые вещества, в том числе такие наилучшие при нормальной температуре проводниковые материалы, как золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt) и медь (Cu), при самых низких, достигнутых в настоящее время температурах, порядка тысячных долей кельвина перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Криопроводникаминазывают металлические проводники, удельное сопротивление которых при охлаждении снижается плавно без скачков и которые переходят в состояние, близкое к сверхпроводящему, при температурах, близких к температуре жидкого азота (-395,6 ^оС). Температуры ниже 320К называют криогенными температурами. Соответственно и проводники, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогенных температур, назвали криопроводниками.

Отметим, что несмотря на очень малую величину удельного сопротивления, в сверхпроводящее состояние материал не переходит. Просто при глубоком охлаждении металлического проводника его сопротивление снижается потому, что уменьшаются тепловые колебания кристаллической решетки, а вследствие этого уменьшается рассеяние электронов проводимости на этих колебаниях.

Выводы по лекции

Проводник – вещество, легко проводящее электрический ток[1][2]; в таком веществе имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри объёма вещества. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях – ртуть, электролиты, при высоких температурах – расплавы металлов. Пример проводящих газов – ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т.п.