Сверхпроводящем состоянии

Однако, как уже отмечалось, для описания явлений в критических точ-ках наиболее адекватным являются феномены, связанные с фазовыми переходами: равновесными, неравновесными (диссипативными), геометрическими (перколяционными). Известно, что переход в сверхпроводящее состояние, превращение гелия I в сверхтекучий гелий II, возникновение из парамагнитного

Рений (Re) имеет плотность 21,02 г/см , температуру плавления 3180°С, кипения 5627°С, теплопроводность при 20°С составляет 170 Вт/(м -К), модуль нормальной упругости 469 МПа, твердость 2,50 НВ. При 90°С рений переходит в сверхпроводящее состояние. Он расположен в VIIA группе Периодической системы элементов Д. И. Менделеева под номером 75, имеет весьма тяжелую массу, равную 186,31, кристаллическая решетка гексагональная, плотноупакованная (ГП), атомный радиус г = 0,138 HMI. Параметры кристаллической решетки а — 0,2758 нм, с = 0,45 нм, с/а = = 1,615

НИМОНИК (от назв. англ, фирмы «Монд никел компани») - жаропрочные сплавы на основе никеля, легированные в зависимости от назначения хромом, титаном, алюминием, кобальтом и др. элементами. Применяются для изготовления деталей газовых турбин, ракет и др. конструкций, работающих при темп-pax до 1000 °С. НИОБИЙ [от имени Ниобы (греч. Ni6be), дочери мифологич. Тантала; из-за сходства Н. и тантала] - хим. элемент, символ Nb (лат. Niobium), ат. н. 41, ат. м. 92,9064. Светло-серый тугоплавкий металл, чрезвычайно стойкий химически; плотн. 8570 кг/м3, /пл 2477 "С; при темп-ре 9,28 К переходит в сверхпроводящее состояние. Н. используют гл. обр. для микролегирования сталей, произ-ва нержавеющих и жаростойких сталей, жаропрочных сплавов, из к-рых изготовляют детали ракет, реактивных двигателей, трубы магистральных газопроводов, хим. и нефтеперегонную аппаратуру. Н. и его сплавами покрывают тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. Сплавы Н. с Zr, Sn и Ti и др. соединения Н. применяют для изготовления сверхпроводящих соленоидов, болометров, ВЧ резонаторов, в качестве сегнетоэлект-риков в акустоэлектрич. фильтрах, электрооптич. затворах и модуляторах, как лазерный материал и т.д. Оксид Nb20s - компонент огнеупоров, оптич. стёкол, керамич. конденсаторов.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ - физ. явление, наблюдаемое у нек-рых в-в (сверхпроводников) при охлаждении их ниже определ. критич. темп-ры (7~к) и состоящее в обращении в нуль электрич. сопротивления пост, току и в «выталкивании» магн. поля из объёма образца (М е и с н е -ра эффект). Принято считать, что С. обусловлена связыванием двух электронов с противоположно на-лравл. спинами в пары (т.н. куперов-скиепары). В кон. 1980-х гг. получены высокотемпературные сверхпроводники (с Гк ок. 100 К); механизм С. у них пока неизвестен. СВЕРХПРОВОДНИКИ - в-ва, переходящие в сверхпроводящее состояние (см. Сверхпроводимость) при темп-рах ниже критической (7~к). По магн. св-вам различают С. 1 -го и 2-го рода. К С. относятся около половины металлов (напр., А1, Гк=1,2 К; РЬ, 7"к = = 7,2 К), неск. сотен сплавов (напр., Ni - Ti, 7"к*9,8 К), в т.ч. интерме-таллич. соединения (напр., NbsGe, Гка23 К), мн. полупроводники (напр., GeTe, Гк = 0,17 К). В 1986-87 открыты высокотемпературные оксидные С. (VBa2Cu3C>7 и др.) с Гк* 100 К. СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ - СИЛОВОЙ кабель с токопроводящими жилами из сверхпроводящего материала. В С.к. жилы охлаждаются до темп-ры ниже критической (см. Сверхпроводимость]. В качестве материала токопроводящих жил используют, напр., такие сверхпроводники,

Однако, как уже отмечалось, для описания явлений в критических точках наиболее адекватным являются феномены, связанные с фазовыми переходами: равновесными, неравновесными (диссипативными), геометрическими (перкояяционными). Известно, что переход в сверхпроводящее состояние, превращение гелия I в сверхтекучий гелий II, возникновение из парамагнитного ферромагнитного состояния, ряд фазовых превращений в сплавах происходит в отсутствие поглощения или выделения скрытого тепла. Превращения при фа-

не ликвидируют переход в сверхпроводящее состояние, но уменьшают его разность, следовательно, электроны у сверхпроводников не взаимодействуют с решеткой металла.

тока сверхпроводимости; при этом исходное нормальное состояние, в котором электроны испытывают тепловое рассеяние, как у обычных металлов, не восстанавливается. Сверхпроводящее состояние существует вследствие коллективного движения валентных электронов. При -—273° С выше энергетической щели электроны отсутствуют и все электроны являются сверхпроводящими, т. е. они не испытывают рассеяния на фононах, как это происходит у обычных металлов. При Т > —273° С все больше электронов становится несверхпроводящими, коллективное движение сверхпроводящих электронов затрудняется, а щель сужается. При Т = Тс ширина щели равна нулю, металл становится нормальным и остается таковым при Т > Тс. Сверхпроводники используются для изготовления соленоидов; пропуская через сверхпроводящую проволоку большие токи, можно получить сильные магнитные поля напряженностью выше 10 вб/м2.

Рис. 7.12. Скачкообразное изменение сопротивления провод^ пиков при переходе в сверхпроводящее состояние

сверхпроводящее состояние)

туре 4,2 К сопротивление ртути практически скачком падало до нуля (рис. 7.12). Ртуть переставала оказывать сопротивление прохождению электрического тока. Это явление получило название сверхпроводимости. В настоящее время оно установлено у сотен веществ — чистых металлов, металлических сплавов и интерметаллических соединений и даже у некоторых вырожденных полупроводников. Температура перехода в сверхпроводящее состояние, которая называется критической температурой перехода Ткр, колеблется у разных веществ от сотых долей градуса абсолютной шкалы до «20 К.

Подчеркнем следующее важное обстоятельство. Как указывалось в § 7.3, если бы металлы удалось освободить от примесей, то при приближении к абсолютному нулю их сопротивление должно было бы постепенно падать до нуля, так как бездефектная решетка, имеющая строго периодический потенциал, не способна рассеивать свободные носчтели заряда. Однако такое поведение металлов не являлось бы сверхпроводимостью, так как, в>первых, переход вещества в сверхпроводящее состояние не связан в принципе с наличием в нем примесей, во-вторых, такой переход происходит не плавно по мере понижения температуры, а скачкообразно при достижении веществом критической температуры перехода Ткр.

тромагнит или соленоид, обмотки к-рого выполнены из материала, находящегося во время работы в сверхпроводящем состоянии (см. Сверхпроводимость]. Электрич. ток, наведённый в замкнутой накоротко такой обмотке, сохраняется практически сколь угодно долго и создаёт стабильное магнитное поле. Совр. С.м. позволяют получать поля с магнитной индукцией до 20 Тл.

Основными элементами, отличающими установку циклического действия от описанной выше установки периодического действия, являются тепловые ключи /d и К-2. Принцип их действия основан на гом, что при разрушении сверхпроводимости материалов наложением сильного магнитного поля их теплопроводность резко возрастает. Например теплопроводность чистого свинца в сверхпроводящем состоянии меньше его теплопроводности в состоянии, когда сверхпроводимость. разрушена (при той же температуре) , на один-два порядка.

Отметим, что все приведенные выше температуры весьма низки, а некоторые приближаются к температуре жидкого водорода. (При атмосферном давлении температура жидкого водорода равна 20,25 К.) В сверхпроводящем состоянии вещество пропускает электрический ток без потерь, поэтому теоретически можно представить себе ситуацию, при которой весьма высокие расходы на поддержание низкой температуры будут компенсированы за счет снижения потерь энергии и линия электропередачи с использованием сверхпроводников станет экономически конкурентоспособной. К сожалению, в действительности все обстоит не так просто. . .

Более того, как показали исследования, сверхпроводимость не исчерпывается.только обращением в нуль электрического сопротивления проводника (идеальной проводимостью). Не менее фундаментальным свойством вещества в сверхпроводящем состоянии является идеальный диамагнетизм. Это свойство/открытое Мейсснером и Оксенфельдом в 1933 г., состоит в том, что вещество, помещенное в магнитное поле (рис. 7.13, а), при переходе в сверхпроводящее состояние не «замораживает» находящееся в нем магнитное поле, как это должно было бы быть при простом переходе вещества в состояние с нулевым сопротивлением, а выталкивает его из своего объема (рис. 7.13, б), что присуще идеальным диамагнетик'ам, обладающим нулевой магнитной проницаемостью. Это явление получило название эффекта Мейсснера — Оксенфельда.

Криотронные переключатели и запоминающие элементы. В этих устройствах используются эффекты наведения в замкнутом сверхпроводящем контуре незатухающего тока и разрушения сверхпроводящего состояния магнитным полем. На рис. 7.19, а показана принципиальная схема простейшего криотронного переключателя. Он состоит из управляемого (вентильного) провода /, изготовляемого обычно из тантала, имеющего Т' — 4,4 К, и управляющей обмотки 2 из ниобия (7^р = 9,? К) или свинца (Т? = 7,2 К). При рабочей температуре Т, немного меньшей ТКР, вентильная проволока (и тем более обмотка) находится в сверхпроводящем состоянии и не оказывает сопротивления прохождению через нее тока /вент- При пропускании через управляющую обмотку определенного тока /упр происходит разрушение сверхпроводящего состояния вентильной проволоки и перевод ее в нормальное состояние с конечным сопротивлением R. Такое устройство аналогично реле, разомкнутому состоянию которого соответствует нормальное состояние вентильного провода, замкнутому — сверхпроводящее состояние вентиля. Управляющая обмотка, имеющая Т" > Т', всегда находится в сверхпроводящем состоянии.

Сверхпроводниками назваются вещества, которые при температуре ниже точки Кюри практически полностью теряют электрическое сопротивление. Максимальная температура, при которой вещество еще остается в сверхпроводящем состоянии, называется температурой перехода в сверхпроводящее состояние

Сверхпроводники I рода являются идеальными диамагнетиками. Постоянное магнитное поле не проникает в образец (за исключением тонкого поверхностного слоя), находящийся в сверхпроводящем состоянии, и «выталкивается» из образца при переходе в сверхпроводящее состояние во внешнем магнитном поле — так называемый эффект Мейссенера. Следствием эффекта Мейссенера является то, что по поверхности сверхпроводника, находящегося во внешнем магнитном поле, всегда течет ток.

дящих интерметаллических соеди-Вений типа А15. В этом классе материалов находятся все сверхпроводник» о рекордным значением Т0. В соеднне-LflX типа А15 наблюдаются аномалии j температурной зависимости электропроводности и магнитной восприимчивости. У многих соединений, например V3Si, V3Ga, Nb3Sn, происходит низкотемпературный фазовый переход мартеиснтиого типа. Соединения МЬдОа, Nb3Ge и NbsAl в сверхпроводящем состоянии с высокой критической температурой являются мета» стабильными, и именно с метастабнль-ностью этих соединений связывается высокое значение Тй. Промышленное применение нашли сплавы Nb3Sn и V30a.

150 А/см2 при Я=8-106 А/м. К сожалению кристаллизация этого сплава сопровождается охрупчиванием. В сверхпроводящем состоянии этот аморфный сплав, благодаря неплохим механическим характеристикам, можно использовать прежде всего для производства проволоки. Предполагают, что введением стабилизирующих добавок типа меди можно и после кристаллизационного отжига получить достаточную пластичность при сохранении удовлетворительных характеристик сверхпроводимости.

рехода Тс у них ~9 К, а ширина перехода чрезвычайно мала (i~0,Q5 К). В состоянии нормальной проводимости их электросопротивление составляет 200 — 300 мкОм • см, ia в сверхпроводящем состоянии они имеют хорошую пластичность. Такие свойства позволяют применять аморфные сверхпроводники довольно широко. О гт ш т т т,к Аморфные ленты можно «спользо-Рис. 10.7. Температурные зави- вать для сочленения различныг~гепло-симостн электросопротивления стойких элементов конструкций при-аморфных сплавов №мСг^,.В» чем плотность сочленения получается (а) и NieeSi.oB^ (б)

При этом предполагается, что металл а находится в сверхпроводящем состоянии. Для A@min « 10~7 К при температуре