Большая Советская Энциклопедия (СВ) - БСЭ БСЭ
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Практическое применение сверхпроводимости интенсивно расширяется. Наряду с магнитами сверхпроводящими, сверхпроводящими магнитометрами существует ряд других технических устройств и измерительных приборов, основанных на использовании различных свойств сверхпроводников (см. Криоэлектроника). Построены сверхпроводящие резонаторы, обладающие рекордно высокой (до 1010) добротностью, сверхпроводящие элементы для ЭВМ, перспективно применение сверхпроводников в крупных электрических машинах и т. д.
Лит.: Де Жен П., Сверхпроводимость металлов и сплавов, пер. с англ., М., 1968; Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Сверхпроводимость. Сб. ст., М., 1967; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; физический энциклопедический словарь, т. 4, М., 1965, с. 475—82.
Г. М. Элиашберг.
Рис. 2. Распределение магнитного поля около сверхпроводящего шара и около шара с исчезающим сопротивлением (идеальный проводник): а) Т > Тк; б) Т < Тк, внешнее поле Нвн ¹ 0; в) Т < Тк, Нвн = 0.
Рис. 5. Фазовая диаграмма для сверхпроводников 1-го и 2-го рода.
Рис. 4. Кривая намагничивания сверхпроводников 2-го рода.
Рис. 1. Зависимость сопротивления R от температуры Т для ртути (Hg) и для платины (Pt). Ртуть при Т = 4,12К переходит в сверхпроводящее состояние. R0°с — значение R при 0 °С.
Рис. 3. Кривая намагничивания сверхпроводников 1-го рода.
Рис. 6. Скачок теплоёмкости сверхпроводника в точке перехода (Тк) в отсутствии внешнего магнитного поля (Сс и Сн — теплоёмкость в сверхпроводящем и нормальном состояниях).
Сверхпроводники
Сверхпроводники', вещества, у которых при охлаждении ниже определённой критической температуры Тк электрическое сопротивление падает до нуля, т. е. наблюдается сверхпроводимость. За исключением Cu, Ag, Au, Pt, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов, большая часть остальных металлических элементов является С. (см. Металлы). Элементы Si, Ge, Bi становятся С. при охлаждении под давлением. В сверхпроводящее состояние может переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Следует отметить, что существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются С. Значения Тк почти для всех известных С. лежат в диапазоне температур существования жидкого водорода и жидкого гелия (температура кипения водорода Ткип = 20,4 К).
Вторым важнейшим параметром, характеризующим свойства С., является величина критического магнитного поля Нк, выше которого С. переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. С ростом температуры значение Нк монотонно падает и обращается в нуль при Т ³ Тк. Максимальное значение Нк = H0, определённое из экспериментальных данных путём экстраполяции к нулю абсолютной температурной шкалы, для ряда С. приведено в таблице.
Самой высокой из известных (1974) Тк обладает соединение Nb3Ge, приготовленное по специальной технологии.
Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Тк или Нк для известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирических закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими
Температура перехода сверхпроводящее состояние критическое магнитное поле для ряда металлов, полупроводников, сплавов и соединений
Вещество Критическая температура ТК, К Критическое поле Н0, э Сверхпроводники 1 рода Свинец 7,2 800 Тантал 4,5 830 Олово 3,7 310 Алюминий 1,2 100 Цинк 0,88 53 Вольфрам 0,01 1,0 Сверхпроводники 2 рода Ниобий 9,25 4000 Сплав 65 БТ (Nb-Ti-Zr) 9,7 »100000 Сплав NiTi 9,8 »100000 V3Ga 14,5 »350000 Nb3Sn 18,0 »250000 (Nb3AI)4Nb3Ge 20,0 — Nb3Ge 23 — GeTe* 0,17 130 SrTiO3* 0,2—0,4 »300 Pb1,0Mo5,1S6 »15 »600000* Выше Тк: эти соединения полупроводники. 1 э = 79,6 а/м.
Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Тк или Нк для известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирических закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими Тк и Нк. Важнейшие из этих закономерностей, известные под названием правил Маттиаса (установлены Б. Т. Маттиасом, США, 1955), сводятся к следующему: наибольшая Тк наблюдается у сплавов с числом 2 валентных электронов на атом ~3, 5, 7, причём для каждого z предпочтительней свой тип кристаллической решётки. Кроме того, Тк растет с увеличением объёма и падает с ростом массы атома. По своим магнитным свойствам все С. разделяются на две группы: С. 1-го рода, для которых проникновение магнитного поля Н в сверхпроводник цилиндрической формы, расположенный вдоль поля, происходит скачком одновременно с появлением электрического сопротивления при Н ³ Нк; С. 2-го рода, для которых проникновение продольного магнитного поля в аналогичных условиях начинается в значительно меньших полях (до появления сопротивления). Соответственно для С. 2-го рода различают нижнее критическое поле Нк1, при котором начинается проникновение магнитного поля, и верхнее критическое поле Нк2, при котором магнитное поле полностью проникает в объём С., а электрическое сопротивление приобретает значение, характерное для нормального состояния. (В таблице для С. 2-го рода приведены значения Нк2.) С. 1-го рода являются все чистые сверхпроводящие металлы, за исключением V и Nb, и некоторые сплавы с низким содержанием одного компонента. Группа С. 2-го рода более многочисленна. Сюда относится большинство соединений с высокими Тк, таких как V3Ga, Nb3Sn, и сплавы с высоким содержанием легирующих примесей.
Среди С. 2-го рода выделяют группу жёстких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления. В жёстких С. движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Нк2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля. Следует отметить, что в идеальном С., полностью лишённом дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Нк1. Нижнее критическое поле Нк1 обычно во много раз меньше Нк2. Поэтому именно жёсткие С., у которых электрическое сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений. Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких С. является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям с самыми высокими значениями Тк и Нк типа V2Ga, Nb3Sn, Pbi1,0Mo5,1S6. Изготовление сверхпроводящих магнитных систем из этих материалов представляет собой сложную технологическую задачу.
