T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 3.8. Sverhtekuchest' | Oglavlenie | 3.10. Entropiya >>
3.9. Sverhprovodimost'
Otkrytie sverhprovodimosti
V nachale veka "stolicei holoda" byl Leiden, priyatnyi gollandskii gorodok, imeyushii davnyuyu tradiciyu nauchnyh issledovanii.
V kriogennoi laboratorii Leidena, stavshei vposledstvii znamenitoi, pioner tehniki ohlazhdeniya Kamerling-Onnes sumel v 1908 g. vpervye poluchit' zhidkii gelii. V posleduyushie gody on zhe prodolzhal issledovat' vliyanie glubokogo holoda na razlichnye materialy.
Pri ochen' nizkih temperaturah prinyato otschityvat' gradusy Cel'siya ot absolyutnogo nulya (–273,13oS). Napomnim, chto pri absolyutnom nule (naimen'shaya iz vozmozhnyh temperatur) veshestvo imeet minimal'nuyu energiyu i teplovoe dvizhenie prekrashaetsya.
Ohlazhdenie mednoi provoloki privodit k umen'sheniyu ee soprotivleniya, sledovatel'no, med', kak, vprochem, i lyuboi drugoi metall, mozhet byt' ispol'zovana v kachestve termometra, esli izvestno, kak imenno menyaetsya ee soprotivlenie s temperaturoi.
V 1911 g. Kamerling-Onnes kak raz delal popytku ispol'zovat' dlya takih celei provoloku iz svinca, kogda ocherednoe ohlazhdenie privelo k polnomu ischeznoveniyu ee elektricheskogo soprotivleniya. Tak byla otkryta sverhprovodimost', kotoraya nablyudaetsya vo mnogih metallah i splavah (no, kak eto ni paradoksal'no, ne v medi i serebre, yavlyayushimisya nailuchshimi provodnikami pri obychnyh temperaturah). Odnako tol'ko v 1957 g. Bardin, Kuper i Shrifer sumeli dat' udovletvoritel'noe ob'yasnenie yavleniyu sverhprovodimosti, postroiv teoriyu, nosyashuyu ih imya (teoriya BKSh).
Mehanizm provodimosti
Prezhde chem uglublyat'sya v teoriyu BKSh, sleduet razobrat'sya v mehanizme obychnoi provodimosti. Vspomnim, chto veshestvo sostoit iz atomov, soderzhashih tyazheloe polozhitel'no zaryazhennoe central'noe yadro, prityagivayushee otricatel'no zaryazhennye elektrony.
Svyazannye yadro i elektrony obrazuyut edinoe neitral'noe celoe. Te elektrony, kotorye poslednimi pristraivayutsya k yadru, nahodyat ego v bol'shoi stepeni neitralizovannym temi, chto pribyli ran'she. Sledovatel'no, vneshnie elektrony slabee svyazany s yadrom, i poetomu dva atoma, okazavshis' poblizosti drug ot druga, mogut s legkost'yu obmenyat'sya imi; tak voznikayut mezhatomnye sily i himicheskie valentnosti.
Mezhatomnye sily v metalle zastavlyayut atomy vystraivat'sya v uporyadochennye i kompaktnye ryady, formiruya reshetku (nazyvaemuyu kristallicheskoi). Takie reshetki chasto obladayut porazitel'noi simmetriei.
V metalle perifericheskie elektrony legko migriruyut ot odnogo atoma k drugomu. Eti elektrony na samom dele ne prinadlezhat bol'she opredelennomu atomu i obrazuyut more otricatel'nyh zaryadov, sposobnyh svobodno peredvigat'sya cherez metall. Atomy obrazuyut polozhitel'nyi fon, obespechivayushii neitral'nost' metalla kak celogo.
Esli prilozhit' raznost' potencialov k svincovoi provoloke, naprimer prisoediniv ee k batareike, to elektrony (otricatel'nye) nachnut dvigat'sya v storonu polozhitel'nogo konca, k kotoromu oni budut prityagivat'sya. Batareika budet gnat' ih ot otricatel'nogo konca cepi k polozhitel'nomu, poka ne istoshitsya. V etom sluchae govoryat, chto batareika sozdaet tok v cepi. Takim obrazom, batareika predstavlyaet soboi "nasos", kachayushii elektrony vdol' provoloki – "truby".
Pochemu zhe deistvie batareiki ne privodit k nepreryvnomu uskoreniyu dvizheniya elektronov? V deistvitel'nosti atomy v kristallicheskoi reshetke metalla vystroeny ne ideal'no, i v metalle imeyutsya mnogochislennye defekty, pri soudareniyah s kotorymi elektrony teryayut svoyu energiyu, peredavaya ee kristallicheskoi reshetke.
Kolebaniya reshetki proyavlyayutsya v vide tepla; eto kak raz to teplo, kotoroe sozdaetsya elektricheskim tokom, zastavlyayushim svetit'sya niti lampochek,. i ispol'zuemoe vo mnozhestve tehnicheskih prilozhenii. V otlichie ot provodnika elektrony v izolyatore krepko svyazany s atomami i ne mogut svobodno peremeshat'sya i perenosit' elektrichestvo.
Mehanizm sverhprovodimosti
Chto zhe proishodit v sverhprovodnike? Polnyi otvet na etot vopros dlinen i slozhen. Obychno dva elektrona v pustote ottalkivayutsya, no v metalle polozhitel'nye zaryady yader ekraniruyut otricatel'nye zaryady elektronov, i ottalkivanie mozhet pochti polnost'yu ischeznut'. Vo mnogih sluchayah ekranirovka okazyvaetsya nepolnoi, i togda sverhprovodimost' ne nablyudaetsya.
V nekotoryh sluchayah reshetka szhimaetsya vokrug elektrona, sozdavaya takim obrazom oblako polozhitel'nyh zaryadov, obvolakivayushee etot elektron i prityagivayushee drugie elektrony. Rezul'tatom yavlyaetsya vozniknovenie neznachitel'nogo prityazheniya mezhdu elektronami. Poskol'ku eto prityazhenie slaboe, ono privodit vsego lish' k tomu, chto elektrony peredvigayutsya parami ("kuperovskie pary", upomyanutye vyshe); takim obrazom, voznikaet svyaz', podobnaya himicheskoi, no v tysyachi raz slabee. Sledovatel'no, kuperovskaya para podobna molekule "dvuhelektrona", a perehod v sostoyanie sverhprovodimosti mozhno schitat' prevrasheniem elektronnogo gaza v gaz, sostoyashii iz takih "molekul". Analogichnoe yavlenie vstrechaetsya v himii: tak, esli nagret' dvuhatomnyi kislorod, on raspadaetsya na odinochnye atomy, sposobnye vnov' ob'edinit'sya pri ohlazhdenii.
Elektronnyi gaz, dvizhushiisya v metalle, kondensiruetsya v zhidkost' iz kuperovskih par, kotoruyu my i budem nazyvat' "kondensatom". Radius takoi pary raven primerno 300 
(1000 (angstrem) =1/100000 mm), chto namnogo bol'she rasstoyaniya mezhdu sosednimi atomami (neskol'ko angstrem). V more, sostoyashem iz kuperovskih par, trudno predstavit' sebe ryab' ili volny, dlina kotoryh byla by men'she samih par. Poetomu neodnorodnosti reshetki s razmerami ne bol'she desyatka angstrem ne predstavlyayut soboi prepyatstviya dlya techeniya kondensata, i poteri energii ne proishodit. Takova osnovnaya prichina vozniknoveniya sverhprovodimosti.
Kondensaciya BKSh, odnako, ne isklyuchaet polnost'yu vzaimodeistviya mezhdu parami elektronov i kristallicheskoi reshetkoi; takoe vzaimodeistvie, estestvenno, trebuet vyplaty "energeticheskogo shtrafa". Deistvitel'no, pri soobshenii elektronnoi pare energii, dostatochnoi, chtoby ee razbit', elektrony mogut vospol'zovat'sya prisutstviem reshetki i peredat' ei teplo. Takoi effekt nablyudaetsya pri temperaturah vyshe temperatury sverhprovodyashego perehoda (neskol'ko gradusov Kel'vina), a podogret' provoloku mozhno, naprimer uvelichivaya silu toka v nei. Kondensat obychno dvizhetsya bez stolknovenii, no pri uvelichenii skorosti ego dvizheniya nastupaet moment, kogda para mozhet vsyu svoyu energiyu ispol'zovat', chtoby razorvat' svyaz', i tut zhe pochuvstvuet, chto sushestvuyut prepyatstviya. Togda sverhprovodimost' ischezaet.
Po etoi prichine prakticheskaya pol'za sverhprovodimosti vsegda ogranichivalas' umerennoi velichinoi maksimal'nogo dopustimogo toka; tol'ko nedavno byli otkryty splavy na osnove niobiya, provodyashie ochen' vysokie toki i pozvolyayushie, sledovatel'no, poluchit' chrezvychaino vysokie magnitnye polya.
Effekty Meisnera-Oksenfel'da
Isklyuchitel'naya podvizhnost' zaryadov v sverhprovodnike privodit k porazitel'nym yavleniyam. Metall, estestvenno, ekraniruet lyuboe elektricheskoe pole, poskol'ku zaryady v nem raspolagayutsya tak, chtoby sohranit' obshuyu neitral'nost' veshestva.
Bol'shego vnimaniya zasluzhivaet effekt Meisnera-Oksenfel'da. Esli pomestit' sverhprovodnik vo vneshnee magnitnoe pole, to ono nemedlenno vyzovet poyavlenie postoyannyh tokov na poverhnosti metalla, prepyatstvuyushih proniknoveniyu samogo magnitnogo polya vnutr' etogo metalla, t.e. sverhprovodnik sluzhit ideal'noi "diamagnitnoi" sredoi – on ideal'no ekraniruet magnitnoe pole. Ekranirovanie effektivno tol'ko do kriticheskogo znacheniya magnitnogo polya; pri dal'neishem uvelichenii polya toki, vyzvannye im, okazyvayutsya slishkom bol'shimi, pole pronikaet v veshestvo, razvalivaet kuperovskie pary i razrushaet sverhprovodimost'.
Etot diamagnetizm vyzyvaet lyubopytnye effekty; esli by my nadeli na ruku sverhprovodyashuyu perchatku, to mogli by "pochuvstvovat'" i "shvatit'" silovye linii magnitnogo polya tak zhe, kak puchok spagetti. S "tochki zreniya sverhprovodnika" magnit – eto tverdyi predmet, iz kotorogo torchit ogromnyi puchok uprugih silovyh linii. Esli magnit pomestit', naprimer, v sverhprovodyashuyu chashu, to on budet viset' v vozduhe, podderzhivaemyi svoim sobstvennym magnitnym polem.
V sverhprovodyashem kol'ce tok mozhet cirkulirovat' beskonechno; eksperimenty pozvolyayut sdelat' vyvod, chto dazhe v techenie sta tysyach let neodnokratnye povtornye izmereniya toka s pomosh'yu kakogo-libo iz naibolee chuvstvitel'nyh sposobov ne obnaruzhili by nikakih izmenenii toka. Zdes' my imeem, sledovatel'no, nechto podobnoe vechnomu dvigatelyu, blagodarya kotoromu zaryad mozhet vrashat'sya po krugu bez neobhodimosti poluchat' energiyu ot kakoi-nibud' batarei. Konechno, dolzhno byt' yasno, chto izvlechenie energii iz takogo kol'ca svelo by tok v nem k nulyu.
Legko predstavit' sebe vozmozhnosti primeneniya sverhprovodnikov v tehnike, esli by my mogli izgotovlyat' ih iz materialov, ne trebuyushih dlya perehoda v sverhprovodyashee sostoyanie slishkom nizkih temperatur. Togda otkrylis' by neobozrimye gorizonty dlya razlichnyh primenenii, nachinaya s peredachi energii na dalekie rasstoyaniya bez poter' i konchaya sozdaniem sverhmagnitov, prakticheski ne potreblyayushih elektricheskoi energii, i proektirovaniem sverhprovodyashih rel'sov, po kotorym poezd-magnit skol'zil by sovsem bez treniya. V svyazi s etim mozhno vspomnit' sverhmagnity (sverhprovodyashie magnity), ispol'zuemye v sovremennyh uskoritelyah chastic.
Material, prigodnyi dlya sozdaniya vysokotemperaturnoi sverhprovodimosti (esli by on byl naiden) nemedlenno obrel by ogromnoe znachenie ne tol'ko dlya promyshlennosti; issledovaniya v etom napravlenii vedutsya s ispol'zovaniem ves'ma vnushitel'nyh sredstv, i rezul'taty, vozmozhno, ne zastavyat sebya dolgo zhdat'.
<< 3.8. Sverhtekuchest' | Oglavlenie | 3.10. Entropiya >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
