Високотемпературна надпровідність

 

Вінницький державний педагогічний університет імені Михайла Коцюбинського Інститут фізики, математики і технологічної освіти

Кафедра математики та методики навчання математики

 

 

 

 

 

 

 

Реферат з загальної фізики на тему:

«Високотемпературна надпровідність»

 

 

 

 

 

           Виконали

               студентки групи 2БМ

              Пекна І. О.

Слюсар В. С.

 

 

 

Вінниця – 2015 рік

 

Зміст

Вступ 

1. Поняття надпровідності………………………………………………………………………………4

2. Високотемпературні надпровідники………………………………………………………….5

3. Магнітні явища у надпровіднику………………………………………………………………..7

4.Властивості  надпровідників…………………………………………………………………………8

5.Поведінка  надпровідників в зовнішніх магнітних  полях. Надпровідники другого роду……………………………………………………………………………………………………………9

6. Застосування  високотемпературних надпровідників……………………………….14

7. Методи синтезу полікристалічних високотемпературних надпровідників16

8. Надпровідні технології……………………………………………………………………………….18

         Висновки……………………………………………………………………………………………………..21

Література…………………………………………………………………………………………………….22

 

Вступ

Надпровідність – одночасне зникнення електричного опору та поява досконалих діамагнетичних якостей (виштовхування магнітного поля з об’єму матеріала). У такому стані спостерігається багато цікавих явищ. Деякі з них успішно використовують у багатьох галузях.

Надпровідність відкрив Х. Камерлінг-Оннес у 1911, досліджуючи електричний опір ртуті при низьких температурах. Він зазначив, що при температурі 4,15 К вона стрибкоподібно втрачала опір (рис.1). Ще через два роки він визначив температури надпровідного переходу свинцю, олова і талію.

Природу надпровідності пояснили у 1956 р американські фізики Дж. Бардін, Л. Купер і Дж. Шріффер, створивши теорію БКШ, що отримала назву за першими літерами їх прізвищ.

Відкриття явища високотемпературної надпровідності (ВТНП) викликало велику кількість досліджень як з метою вивчення природи ВТНП, так і у сфері її практичного використання. Вже на початку досліджень була відома невелика стійкість ВТНП зразків до дії різних хімічних факторів (води, карбон (IV) оксиду, водяного пару). З метою стабілізації високотемпературних надпровідникових матеріалів здійснено низку спроб введення лігуючих добавок. Головною перепоною на шляху створення технічних надпровідників на основі кераміки є низька струмонесуча здатність зразків. Тому синтез нових матеріалів, що мають високу критичну густину струму, є на сьогодні актуальним.

 

 

 

 

 

 

 

1.Поняття  надпровідності

Ще в 60-ті роки вчені помітили, що для плівки олова, вміщеної в сильне електричне поле, критична температура надпровідного переходу Т стає трохи вищою. Ефект пояснив у 1965 р. російський фізик В. Сандомирський. Справа в тому, що відповідно напрямлене електричне поле може збагатити поверхневий шар напівпровідникового чи металевого зразка носіями струму такого знака, який викликає протилежне поле. Це випливає з електростатики і узгоджується із загальним принципом Ле-Шательє. В той же час теорія стверджує, що Т , якщо зафіксувати всі параметри, крім концентрації носіїв струму, а цю концентрацію змінювати, буде збільшуватися зі зростанням останньої. Цей ефект і спостерігався. Але ж яким мізерним він був у випадку олова! В полі з напруженістю 3•10 В/см критична температура Т = 3,722К змінюється на +0,00007К.

Надпровідність характеризується абсолютним діамагнетизмом. У магнітному полі в надпровідному матеріалі виникають такі струми, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле виштовхується із надпровідника. Завдяки цій властивості виникає явище левітації надпровідника над магнітом (або магніту над поверхнею надпровідника), яке отримало назву труна Магомета. Сильне магнітне поле руйнує надпровідність. Надпровідники розрізняються за своєю поведінкою у відносно сильних магнітних полях, у залежності від поверхневої енергії границі розділу надпровідної й нормальної фаз. У надпровідників І роду ця поверхнева енергія додатня, й надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний рівень, який називається критичним магнітним полем. У надпровідників ІІ роду поверхнева енергія границі розділу нормальної та надпровідної фаз від’ємна, тож магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне значення, починає проникати в надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові струми. Якщо збільшувати магнітне поле далі, то нормальних областей стає дедалі більше, й при критичному полі надпровідність руйнується повністю. Надпровідники другого роду використовуються для створення надпровідних електромагнітів.

В 1986 р. було відкрито високотемпературну надпровідність  керамік – складних оксидних сполук барію, лантану, міді та інших елементів. Надпровідність таких керамік зберігається до температур близько 100К, які можна дістати, скориставшись значно дешевшим рідким азотом.

Явище надпровідності – макроскопічне проявлення квантової природи речовини: атомів та електронів. Відомо, що електрони в атомі можуть перебувати у особливих станах, яким відповідають дискретні значення енергії, тобто атом може поглинати і випромінювати енергію порціями – квантами. Однак, якщо ми перейдемо до макроскопічного тіла, де концентрація електронів перевищує 10 1/м , то квантовий характер зміни енергії кожного електрону «змазується» великою кількістю таких електронів, що поглинають або випромінюють енергію,і ми бачимо суцільний спектр поглинання або випромінювання енергії макроскопічними тілами.

2. Високотемпературні надпровідники.

В даний час до високотемпературних надпровідників ( ВТНП) відносяться з’єднання, які основані на оксидах міді і мають температуру надпровідного переходу в області азотних температур Зараз відомо більше двох десятків високотемпературних надпровідників, які є купратами різних металів. По основному металу вони відповідно називаються ітриєвими (наприклад, YBa2Cu3O7-d, Тс»90К ), вісмутовими ( Bi2Sr2CaCu2O8, Тс»95К ), талієвими (Tl2Ba2CaCu2O8, Тс»110К ), ртутними (HgBa2CaCu2O8, Tc»125K ) ВТНП.

Практично всі ВТНП мають слоїсту структуру типу перовскіта з площинами із атомів Cu і O. На рис1.1.1 показана структура типового широко розповсюдженого високотемпературного надпровідника - ітриєвого з’єднання YBa2Cu3O7-d.

    Результати багаточисленних експерементів підтверджують припущення , що площини з киснем є основним об’єктом в кристалографічній гратці, вони відповідають як за провідність цих оксидних з’єднань, так і за винткнення в них надпровідності при високих температурах.

Високотемпературні надпровідники є типовими представниками надпровідників ІІ роду з дуже великим співвідношенням лондоновської довжини до довжини когерентності - порядку де-кількох сотень. Тому друге критичне поле Нс2 має дуже високе значення. На приклад, у Ві 2212 воно становить примірно 400Тл, а Нс1 рівне де-кільком сотням ерстед ( в залежності від орієнтацій поля відносно кристала ).

В монокристалах високотемпературних надпровідників в магнітних полях, більше Нс1, спостерігається вихрьова структура, подібна тій, що раніше була знайдена в традиційних надпровідниках ІІ роду.

Для більшості ВТНП характерна сильна анізотропія, що призводить до дуже незвичного характеру залежності магнітного момента цих речовин від величини поля у випадку, коли поле нахилено до основних кристалографічних осей. Суть ефекту полягає в тому, що внаслідок значної анізотропії вихрьовим лініям спочатку енергетично вигідно розміщуватись між шарами CuO2 в площині (ab) ( в площині шарів ) і лиш потім, після перевищення де-якого поля, починають пронизувати ab-площини.

З’єднання	ТС, К		Кількість CuO-шарів		la,b, нм		lt, нм		x a,b, нм		xlt, нм
La1.85Sr0.15CuO4	40		1		80		430		3,7		0,7
YBa2Cu3O7	95		2		27		180		3,1		0,4
Bi2Sr2CaCu2O8	95		2		25		500		3,8-1,8		0,2
Bi2Sr2Ca2Cu3O10	115		3		<25		>500		3,0		<0,2

Із-за малої довжини когерентності x»( 1-30 )A вихрі слабо закріплені на дефектах зразка і можуть легко переміщатися по ньому як і при пропусканні через зразок струму, так і при наявності інгрідієнта температури. Рис.1.13 служить якісною ілюстрацією механізма руху вихрів. Потенціальний рельєф для вихрів у зразку визначає силу спінінга

 

 

 

Таким чином, якщо в надпровіднику ІІ роду з пінінгом можливий надпровідний струм, то він буде затухати з часом. В традиційних надпровідниках U0/kT велике, і цей ефект практично відсутній. В ВТНП величина U0/kT»0,1, і рух вихрів легко спостерігати.

Цей ефект легко спостерігається шляхом вимірювання часової залежності встановлення стану рівноваги магнітного моменту після різкої зміни зовнішнього магнітного поля або температури. Швидкість релаксації намагнічення в ВТНП може коливатись від декількох секунд до десятків годин в залежності від температури.

Перші ВТНП були отримані спіканням відповідних хімічних елементів з послідуючим відпалом в атмосфері кисня. В результаті отримується керамічний сплав, який складається з спечених гранул. Тому такі ВТНП називають керамічними або гранулярними. Характерний розмір складає біля 10 мкм. Перші експеременти проводились саме на таких керамічних зразках, і лише потім навчилися вирощувати монокристалічні зразки, що до цього є досить важкою технологічною задачою. Гранулярні надпровідники представляють собою середовище з слабкими джозефсоновськими зв’язками, які визначають незвичайні його електродинамічні властивості.

3. Магнітні явища у надпровіднику

Одразу після відкриття надпровідності у 1911 р. Камерлінг-Оннес спробував отримати сильне магнітне поле у надпровідній котушці, проте з’ясував, що у надпровідному стані матеріал стає діамагнетиком, тобто магнітне поле виштовхується з матеріалу.

 

Механізм цього виштовхування відкрив німецький фізик В.Мейснер. Він з’ясував, що у надпровіднику, який вміщений у магнітне поле виникають колові струми. Ці струмистворюють власні магнітні поля, що виштовхують зовнішнє поле з надпровідника. Цей ефект вже використовується для створення підшипників та електродвигунів, у яких відсутнє тертя. Проте якщо підвищувати напруженість магнітного поля то надпровідний стан руйнується. Магнітне поле, що знищує надпровідність називається критичним полем. Для різних надпровідників воно змінюється від кількох десятків до кількох сотень тисяч гаусів. При температурі переходу критичне поле дорівнює нулю, а при абсолютному нулі воно максимальне. Електричний струм певної сили під час проходження крізь надпровідник створить критичне поле. Отже для надпровідника існує критичний (максимальний) струм, що може крізь нього проходити:

І= Нpd,

де Н – напруженість критичного магнітного поля; d – діаметр провідника. Такі властивості характерні для чистих матеріалів – надпровідників першого роду. Критичні поля для таких надпровідників становлять від 20 до 800 Гс.

4.Властивості  надпровідників

У надпровідному стані змінюються властивості матеріалу: теплоємність різко зростає, теплопровідність – різко падає (крім деяких сплавів Pb-Bi), бо куперівські пари вже не беруть участь у перенесенні теплоти. Завдяки відсутності електричного опору струм, запущений у кільце з надпровідного матеріалу, продовжує текти і після відімкнення напруги.

Як уже зазначалося, магнітне поле не проникає всередину надпровідника, тому магніт, що падає на надпровідну пластину, зависає у повітрі: його поле збуджує у металі кільцевий струм, а струм створює власне магнітне поле, що відштовхує падаючий магніт. Струм продовжує текти, а магніт висіти доти, доки матеріал охолоджений до надпровідного стану. Термоелектричні ефекти у надпровідниках зникають. Характеристики різних надпровідників подані у таблиці.

Характерним для надпровідників є ефект Джозефсона (1962). По-перше, через тунельний надпровідний контакт (два надпровідника, розділені шаром діелектрика) може протікати надпровідний струм. Критичне значення цього струму залежить від зовнішнього магнітного поля. По-друге, якщо струм через контакт перевищує критичний струм переходу, то контакт стає джерелом високочастотного електромагнітного випромінення. Перший з цих ефектів називають стаціонарним ефектом Джозефсона, другий – нестаціонарним. Обидва вони використовуються у виробництві контрольно-вимірювальних пристроїв.

Багато властивостей надпровідників можна пояснити, якщо припустити, що при температурі нижче температури переходу електрони провідності поділяються на два типи. Одні ведуть себе як надпровідні електрони - вони можуть проходити через метал без опору, інші,нормальні електрони можуть розсіюватися зазнавати опір і так само, як електрони провідності в нормальному металі.

Зміна властивостей надпровідників при переході з нормального стану в надпровідний також може бути використане для створення високочутливих вимірників. Найпростіша функція таких вимірників пов'язана з визначенням температур, магнітних полів і струмів, які безпосередньо з порівнюються критичними параметрами надпровідника. Згадайте, як змінюються різко властивості металів фазовому при переході. Знизилася температура до критичної величини, і металева пластинка - датчик стрибком втрачає опір. Вловлюючи скачки опорів, можна запускати в роботу різні регулятори, керуючі режимом надпровідних пристроїв. Той же принцип використовується в датчиках магнітного поля або струму: в момент вимірювання провідності генерується електричний сигнал.