Физика твердого тела. Часть 4. « В серии экспериментов выяснилось, что не только водная среда способна индуцировать сверхпроводящее состояние, но также и алкогольные напитки, среди которых наибольший эффект имеет красное вино … Не зря же говорят что медики пьют до потери пульса, а физики - до потери сопротивления …»

Что такое электрическое сопротивление ? Проще всего объяснить это по аналогии с водопроводной трубой. Представьте себе, что вода некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение аналог давления ( напора ) воды. Сопротивление это та сила противодействия среды их движению, которую электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется теплота. Именно такая модель представлялась в е годы Георгу Ому, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях. Георг Ом ( )- немецкий физик, автор основного закона электрической цепи ( закон Ома )

Электронная проводимость металлов В начале XX века была создана классическая электронная теория проводимости металлов ( П. Друде, 1900 г., Х. Лоренц, 1904 г.), которая дала простое и наглядное объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов. Рассмотрим некоторые положения этой теории. Металлический проводник состоит из : 1) положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия, и 2) свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника. Пауль Друде (1863–1906). Немецкий физик. Основные труды по приложениям классической электронной теории : дал теорию электронной проводимости металлов. Хе́индрик Анто́н Ло́ренц ( ) голландский физик-теоретик. Лауреат Нобелевской премии по физике (1902). Развил электромагнитную теорию света и электронную теорию материи. С именем этого учёного связана известная из школьного курса физики сила Лоренца. Преобразования Лоренца являются важнейшим вкладом в развитие теории относительности.

Таким образом, электрические свойства металлов обусловлены наличием в них свободных электронов с концентрацией, которая примерно соответствует концентрации атомов. Эти электроны называются электронами проводимости. Они образуются путем отрыва от атомов металлов их валентных электронов. Такие электроны не принадлежат какому - то определенному атому и способны перемещаться по всему объему тела. В металле в отсутствие электрического поля электроны проводимости хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решетки ( рис.). Совокупность этих электронов можно приближенно рассматривать как некий электронный газ, подчиняющийся законам идеального газа. Средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно 10 5 м / с. Ионы кристаллической решетки металла не принимают участие в создании тока. Их перемещение при прохождении тока означало бы перенос вещества вдоль проводника, что не наблюдается.

Экспериментальное доказательство того, что ток в металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1912 г.). Они обнаружили, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводнике катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами электронами.

Следовательно, электрический ток в металлах это направленное движение свободных электронов. Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью. Электрический ток в металлах возникает под действием внешнего электрического поля. На электроны проводимости, находящиеся в этом поле, действует электрическая сила, сообщающая им ускорение. В результате электроны приобретают некоторую добавочную скорость ( ее называют дрейфовой ). Эта скорость возрастает до тех пор, пока электрон не столкнется с атомом кристаллической решетки металла. При таких столкновениях электроны теряют свою избыточную кинетическую энергию, передавая ее ионам. Затем электроны снова разгоняются электрическим полем, снова тормозятся ионами и т. д. Средняя скорость дрейфа электронов очень мала, около 10 –4 м / с. Скорость распространения тока и скорость дрейфа не одно и то же. Скорость распространения тока равна скорости распространения электрического поля в пространстве, т. е. с = м / с.

При столкновении с ионами электроны проводимости передают часть кинетической энергии ионам, что приводит к увеличению энергии движения ионов кристаллической решетки, а, следовательно, и к нагреванию проводника. Сопротивление металлов Сопротивление металлов объясняется столкновениями электронов проводимости с ионами кристаллической решетки. При этом, очевидно, чем чаще происходят такие столкновения, т. е. чем меньше среднее время свободного пробега электрона между столкновениями τ, тем больше удельное сопротивление металла. В свою очередь, время τ зависит от расстояния между ионами решетки, амплитуды их колебаний, характера взаимодействия электронов с ионами и скорости теплового движения электронов. С ростом температуры металла амплитуда колебаний ионов и скорость теплового движения электронов увеличиваются. Возрастает и число дефектов кристаллической решетки. Все это приводит к тому, что при увеличении температуры металла столкновения электронов с ионами будут происходить чаще, т. е. время τ уменьшается, а удельное сопротивление металла увеличивается.

Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность препятствовать прохождению электрического тока. Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц ( СИ ) Ом · м ; также измеряется в Ом · см и Ом · мм ²/ м. Физический смысл удельного сопротивления в СИ : сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м ². Величина удельного сопротивления обозначается греческой буквой ρ. Сопротивление проводника с удельным сопротивлением ρ, длиной l и площадью сечения S может быть рассчитано по формуле

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры. Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приблизительно по линейному закону. При очень низких температурах наблюдается замечательное явление – сопротивление многих металлов скачком обращается в нуль. Это явление, названное сверхпроводимостью, было открыто голландским физиком Камерлинг - Оннесом в 1911 году, когда он измерял сопротивление ртути при охлаждении её в жидком гелии. Оказалось, что сопротивление ртути при охлаждении сначала плавно уменьшалось, но когда её температура достигала 4 К, сопротивление скачком падало до нуля. Подчеркнем, что речь не идет о каком - то исчезающе малом сопротивлении, речь идет о сопротивлении, в точности равном нулю.

Сверхпроводимость свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения ( критическая температура ). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Хейке Камерлинг - Оннес ( ) голландский физик и химик, лауреат Нобелевской премии по физике 1913 года. В 1893 ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий. Камерлинг - Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойств металлов, в частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление металла должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и металл перестанет проводить ток.

Эксперименты, проводимые Камерлингом - Оннесом, вначале подтверждали вывод о плавном спадании сопротивления. Однако в 1911 году он неожиданно обнаружил, что при 4,12 К ( около 270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями. Позже были обнаружены ещё ряд металлов, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах : титан, свинец и олово и др. Нулевое сопротивление не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый в 1933 году полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние.

Вальтер Фриц Мейснер ( )- знаменитый немецкий физик. Основные работы посвящены физике низких температур. Открыл сверхпроводимость многих сплавов и соединений. В 1933 году, совместно с Р. Оксенфельдом наблюдал вытеснение магнитного поля из сверхпроводников ( эффект Мейснера ). Чистые вещества, у которых наблюдается явление сверхпроводимости, немногочисленны. Чаще сверхпроводимость бывает у сплавов. У чистых веществ имеет место полный эффект Мейснера, а у сплавов не происходит полного выталкивания магнитного поля из объёма ( частичный эффект Мейснера ). Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный сверхпроводниками второго рода. Одним из эффектных проявлений эффекта Мейснера является « Гроб Магомета ». По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки, поэтому этот опыт называют экспериментом « Гроб Магомета ».

В сосуде с жидким гелием при температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля размещается свинцовая плита ( свинец - сверхпроводник ), сверху осторожно спускают постоянный магнит. Силовые линии магнитика не могут проникнуть в сверхпроводник, они отражаются от него, как солнечные лучи от зеркальной поверхности. Под северным полюсом магнитика появляется " магнитное изображение " северного полюса, под южным полюсом - южного. Настоящий полюс и полюс " изображения " начинают отталкиваться. Сила отталкивания возрастает до тех пор, пока не станет равной весу магнитика ; и тогда магнитик повиснет. Японский поезд на магнитной подушке, курсирующий по опытной ветке длиной в 18 километров, достигает скорости в 581 км в час. Для создания эффекта левитации ( зависания поезда над опорой ) используются катушки из высокотемпературных сверхпроводников.

Свойства сверпроводящего состояния Критический ток При увеличении тока через сверхпроводник сверхпроводящее состояние нарушается при некотором значении тока I кр. Критический ток I кр зависит от температуры, примерная зависимость критического тока от температуры изображена на рис. Критическое поле При некотором значении магнитного поля В кр сверхпроводимость разрушается. Значение критического поля В кр зависит от материала и температуры, примерная зависимость критического поля от температуры изображена на рис.

История представлений о природе электрического сопротивления – это, в сущности, история смены классических представлений о свойствах вещества представлениями квантовыми. Согласно классическим представлениям, причина электросопротивления кроется в том, что электроны проводимости рассеиваются на ионах кристаллической решетки и в результате актов рассеяния « забывают » об упорядоченном движении, в котором они участвуют. Но сосчитанное на основании такой модели электросопротивление оказывается в тысячи раз большим, чем наблюдаемые его значения. Выход из этого тупика нашла квантовая механика движения электронов в кристаллической решетке. Оказалось, что в квантовомеханической модели идеальная решетка вообще не оказывает сопротивления движению электронов. Электроны рассеиваются не на узлах решетки, а на дефектах кристаллической структуры, таких, как атомы внедрения или замещенные атомы. А дефектов как раз в тысячу раз меньше, и все становится на свои места.

Что же касается сверхпроводимости, долгое время она оставалась явлением загадочным. Пока с ним не расправились Бардин, Купер и Шриффер, за что им в свое время ( в 1957 году ) и была присуждена заслуженная Нобелевская премия. Джон Бардин ( ) американский физик, единственный человек, получивший две нобелевские премии по физике : в 1956 г. за транзистор совместно с Уильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном и в 1972 г. за основополагающую теорию обычных сверхпроводников совместно с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером. Сейчас эта теория называется теорией Бардина - Купера - Шриффера, или просто БКШ - теория. Леон Нил Купер ( род. 1930) американский физик. Джон Роберт Шриффер ( род. 1931) американский физик.

Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь « теорией БКШ » по первым буквам фамилий этих физиков. А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в « свободное плавание », мы имеем, что имеем : ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно « плавающие » между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны волей или неволей движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами ( и между собой ), но тут же « убегают ». Однако, в то самое время, пока электроны « проскакивают » между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы « отвлекают » их на себя. В результате, после того как между двумя ядрами « проскочил » электрон, они на недолгое время сближаются.

Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано возник положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное понять : благодаря тому, что один электрон « проскакивает » между атомами, он, тем самым, создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно - кристаллической структуры парами по - другому они просто не могут, поскольку это им энергетически не выгодно. Чтобы лучше понять этот эффект можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику « драфтинга » ( а именно, « висят на хвосте » у соперника ) и, тем самым, снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя т. н. куперовские пары. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю.

Камерлинг - Оннес владел монополией на жидкий гелий на протяжении 15 лет. К тому времени эпоха электричества уже наступила, и потенциал открытия осознавали все, кто с ним знакомился, но на пути его реализации возникало серьезное препятствие – низкая, как стали позже говорить – гелиевая – температура сверхпроводящего перехода. А гелий – газ очень дорогой, поэтому и сверхпроводящая электротехника оказывалась очень дорогой, и сверхпроводящие устройства применялись в таких уже ситуациях, когда « мы за ценой не постоим ». Потому и не прекращались поиски материалов, которые переходили бы в сверхпроводящее состояние при хотя бы азотных ( водород взрывоопасен, а азот и дешев и безопасен ) температурах. Переход с гелия на азот давал бы экономический эффект, выражающийся множителем раз. Но за многие годы поисков с 1973 года звание рекордсмена очень долго держал ниобат германия с температурой перехода 23,9 К. От азотной температуры (77,4 К ) это очень далеко.

В 1986 г. Беднорц и Мюллер сообщили об открытии сверхпроводимости у керамики на основе оксидов меди, лантана и бария с температурой перехода 30 К. Интересно, что сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978 г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным ( СССР ), а также французскими исследователями двумя годами позже. К сожалению, электропроводность этих образцов была тогда измерена лишь до температуры кипения жидкого азота (77 К ), что не позволило обнаружить эффект сверхпроводимости. Конечно, 30 К – это все еще далеко не 77 К, но крайне важным было то, что сверхпроводимость была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у совершенно иного класса веществ – у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течении короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных СП почти одновременно в США, Японии, Китае и России.

Йоханнес Георг Беднорц ( род.1950) немецкий физик. Лауреат Нобелевской премии по физике ( совместно с Александром Мюллером ) в 1987 году за открытие высокотемпературной сверхпроводимости. В 1986 г. им удалось обнаружить сверхпроводимость в барий - лантан - медном оксиде при температуре 35 К ( 238 °C) на 12 К больше, чем температура сверхпроводимости, достигнутая когда - либо ранее. Карл Александр Мюллер ( род. 1927) швейцарский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1987 г., совместно с Георгом Беднорцем, « за важный прорыв в физике, выразившийся в открытии сверхпроводимости в керамических материалах ».

Дальнейшая хронология событий выглядит так : в феврале 1987 г. – Чу и др. синтезируют, СП керамику из оксидов бария, иттрия и меди с критической температурой 93 К, то есть выше точки кипения жидкого азота ; в январе 1988 г. Маеда и др. синтезируют серию соединений состава Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4, среди которых фаза с n=3 имела Тс =108 К ; месяц спустя Шенг и Херман получили сверхпроводник Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 c T с = 125K; В 1993 г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников, среди которых и рекордсмен, имеющий наибольшее известное значение критической температуры – 135 К. Всего к настоящему времени известно около 50 оригинальных сверхпроводящтх купратов, а время от времени в печати появляются и сенсационные сообщения о создании новых СП с Тс выше комнатной температуры. Но их от реальной СП при комнатной температуре отделяет еще приличная дистанция.

Спасибо за внимание !