> Техника, страница 79 > Сверхпроводимость
Сверхпроводимость
Сверхпроводимость, способность проводить электрич. ток практически без омич, сопротивления; явление открыто в Лейдене Кам-мерлинг-Оннесом в 1911 году Изучая г°-ный ход электросопротивления Hg при очень низких 1°, он обнаружил, что Hg при г° ниже 4,22° К практически теряет сопротивление. В дальнейшем эти исследования велись в специальных низкотемпературных (криогенных) лабораториях в Берлине, Торонто (Канада) и Вашингтоне. Оказалось, что при крайне низких темп-pax це
лый ряд веществ обладает сопротивлением, по крайней мере в 10—12 раз меньшим, чем при комнатной С. Если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и при отсутствии источника эдс. Токи Фуко в сверхпроводнике сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла. Оказалось, что токи до 300 А продолжали течь много часов подряд. Изменение силы тока составляло не более 11Кош в час> т· е· практически она не менялась. Джоулево тепло не выделялось вовсе. Изучение происхождения тока через ряд различных сверхпроводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством С. является отсутствие явления Холла. В то время как в обычных проводниках иод влиянием магнитного поля ток в металле смещается, то есть меняется распределение тока, в сверхпроводнике это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.
С. исчезает: 1) под влиянием повышения г°, 2) под действием достаточно сильного магнитного поля и 3) при достаточно большой плотности электрич. тока в образце. С повышением t° до некоторой Тк почти внезапно появляется заметное омич, сопротивление. Переход от С. к обычной проводимости тем круче и внезапнее, чем однороднее образец, и наиболее крут он в монокрист (фигура 1), например в олове в мел-кокристаллич. агрегате ’ (кривая I) область перехода составляет 0,03°, при наличии в образце олова нескольких крупных зерен область перехода (кривая II) равна 0,01°, в монокристал-
лах (кривая III) — 0,002°. Для идеального монокристалла она путем экстраполяции вычисляется равной 0,0005°. Следовательно практически переход этот осуществляется мгновенно и резко. Точка Тк не зависит от ориентации кристалла по отношению к электрич. току. При
| V | ||||
| • | j) | |||
| _X | ||||
| п |
Фигура 2.
действии постоянного магнитного поля Тк сдвигается в сторону низших г°. С повышением силы поля до некоторой Нт С. исчезает круто и внезапно. Крутизна и здесь особо велика в монокрист. Чем ниже г°, тем больше Нт. Зависимость Нт от t° (фигура 2 и 3) подчиняется опытному закону:
Нт=а(Т -Г-).
Для нек-рых веществ повидимому имеет место зависимость от Т в первой степени. При дей
ствии магнитного поля на С. наблюдается особого вида гистерезис, а именно: если, повышая магнитное поле, уничтожить С. при Я=Нт, то с понижением интенсивности поля С. появится вновь при поле нт <НТ, Ш=Ηт—Ы’т меняется от образцакобразцу и обычно составляет около 10% Нт. Повышение силы тока в образце также приводит к исчезновению С., то есть при этом понижается Тк. Чем ниже г°, тем больше та предельная сила тока iT, при которой С. уступает место обычной проводимости. Т. о. при определении истинной Ткприходится на опыте определять Тк для различных значений силы измерительного тока, а затем экстраполировать ре зультаты измерений к нулевой силе тока. Было показано, что влияние силы тока по существу сводится к действию на образец магнитного поля, создаваемого самим током. Оказалось, что Тк м. б. несколько понижена, если через сверхпроводник пропускать переменный ток; чем выше частота (до 107), тем сильнее понижение Тк. Причина этого явления невыясне-на. Весьма возможно, что оно объясняется тем обстоятельством, что при высокой частоте ток концентрируется в тонком поверхностном слое (скин-эффект), и здесь плотность тока должна возрастать с частотой, и поэтому ранее достигается предельная плотность тока.
С. наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлич. соединений. Из элементов следующие оказались несомненно способными приходить в состояние С.: Hg, Sn (белое), Pb, Т1, In, Ga, Та, Th, Ti, Nb. В некоторых опытах С. обнаруживал Cd. Некоторые авторы полагают, что все металлы при достаточной очистке — * сверхпроводники, однако это не соответствует опытным данным. Исследования сплавов весьма неполны, но уже намечены характерные черты. В эвтектиках, в которых один из компонентов сам м. б. сверхпроводником, ток повидимому пробегает по зернам этого компонента, и константы Тк, характеризующие сплав, идентичны константам данного компонента. В твердых растворах и соединениях С. появляется нередко. Характерны соединения из веществ, которые сами по себе не становятся сверхпроводниками, таковы наир.: GuS, VN, ZrN, WG, МоС, МогС и сплав Au — Bi. Т. о. не чистота элемента необходима для появления С., а особые условия строения, появляющиеся при определенных сочетаниях атомов. Сплав Au — Bi становится сверхпроводником при нек-рых концентрациях, но носителем С. здесь является какая-то одна еще не выделенная окончательно фаза. Наблюденные Тк пока не превосходят 11° К. Наблюденные Н0 у элементов порядка нескольких сот гауссов у сплавов доходят до 30 000 гауссов (сплав РЬ—· Bi при 35% Bi).
Теории G. еще не существует вовсе. Все по-: пытки создать ее не увенчались успехом. Повидимому электроны, несущие ток, проходят в сверхпроводнике, не сталкиваясь с атомами. Поэтому с наступлением С. электроны повидимому перестают участвовать в теплопроводности. Параллелизм между тепло- и электропроводностью, характерный для металлов (закон Видемана-Франца), исчезает при С. При наступлении С. не меняется ни теплоемкость ни кристаллич. структура. Вещества, могущие становиться сверхпроводимыми согласно работам Гос. физико-технич. ин-та, повидимому даже
Сверхпроводящие вещества (температура в “К).
| Вещество | Tk | Вещество | Tk | Вещество | Tk | Вещество | Tk |
| Hg | 4,22 | ZrN | 3,2 | Sn—Bi | 2,8 | PbAu | 7,0 |
| Sn | 3,71 | wc | 2,8 | Sn—Cd | 3,6 | 7,2 | |
| Pb | 7,2 | MoC | 7,7 | Sn—Zn | 3,65 | ||
| ΤΙ | 2,37 | MO2C | 2,4 | Sn—As | 4,0 | PbS | 4,1 |
| In | 3,37 | Β15ΤΪ3 | 6,5 | Tl—Ag | 2,65 | TiZr | |
| Ga | 1,05 | SbftTi7 | 5,5 | TI—Cd | 2,41 | ||
| Та | 4,4 | Na2Pb5 | 7,2 | Tl—Au | 1,8 | Pb—Sn—Bi | 8,5 |
| Th | 1,5 | TiN | 1,1 | Pb—Bi | 8,8 | ||
| Ti | 1,75 | TiN | 1,6 | Pb—Sb | 0,6 | ||
| Nb | 8,2 | TiC | 1,1 | Pb—Cd | 7,2 | ||
| Au—BI | 1,84 | TaC | 9,2 | Pb—As | 7,2 | Pb—As—Bi | 9,0 |
| Cu—S | 1,0 | NbC | 10,1 | Pb—As | 8,4 | Pb—Bi—SI | |
| VN | 1,3 | Sn—Sb | 4,0 | Pb—P | 7,8 | 8,9 |
при комнатной t° обнаруживают очень малый холл-эффект, что свидетельствует о характерном для них движении электронов. Применение С. в технике принципиально могло бы произвести полную революцию в деле передачи и канализации электроэнергии (без омич, потерь). Малость наблюденных Тк (11° К, то есть —262°) является сейчас непреодолимым практич. препятствием. Неизвестно, можно ли получить С. при более высоких t°. Выше приведена таблица сверхпроводящих веществ и их Тк.
Лит.: ХвольсонО., Курс физики, том дополнит., ч. 2, М.—Л., 1926; Conductibilit6 electrique des rnCtaux, IV conseil de physique de J’lnstitut International de physique Solvay 1924, P., 1927; V о о g d J., Leidsche On-derzockingen over den suprageleidenden Toestand van Me-lallen 1927—1930, Amsterdam, 1931; M e i s s e r W., Der Stand d. Forschung iiber die Supraleitfahigkeit, «Metall-wirtschaft, Wissenschaft u. Technik», B., 1931, Jg. 10, 15, 16; «Communications from the Physical Laboratory of the University of Leiden», Leiden, ab 1911; «Transactions ot the Royal Society of Canada», Section III, Ottawa, ab 1929. Я. Дорфнпн.