Вікіпедія

Надпровідність: відмінності між версіями

Інтерактивний перегляд історії
[неперевірена версія][неперевірена версія]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
Dexbot (обговорення | внесок)
Боти
22 545 редагувань
м Removing Link FA template (handled by wikidata)
м правопис
Рядок 10:
 
Середина [[XIX]]-го століття і його кінець відзначились освоєнням області наднизьких температур. Досліджуючи явища, що відбуваються в [[газ]]ах, [[фізик]]и ввели поняття «[[абсолютний нуль]]» температури. Це така температура, за якої [[тиск]] [[Ідеальний газ|ідеального газу]] відповідно до [[закон Гей-Люссака|закону Гей-Люссака]], дорівнював би нулю. Обчисливши, до якої від'ємної температури треба охолодити газ, щоб в ньому зупинився будь-який [[Броунівський рух|тепловий рух]] [[молекула|молекул]], вони отримали, що ця температура повинна бути −273,15 °C. Пізніше поняття абсолютного нуля було узагальнено на всі стани речовини: тверді та рідкі.
Це температура, коли весь кінетичний рух часток матерії припиняється (ву класичному розумінні) і, таким чином, матерія не має [[Теплова енергія|теплової енергії]]. Ця точка слугує початком відліку температур за термодинамічною шкалою ([[Кельвіна шкала|шкалою Кельвіна]]).
 
Будь-яке охолодження речовини — це відбір у нього [[енергія|енергії]]. При охолодженні енергії у тіла залишається дедалі менше, а отже знижується його температура, яка є мірилом [[Кінетична енергія|кінетичної енергії]] руху атомів. При цьому уповільнюєтьсявповільнюється рух частинок, що складають тіло: зменшується [[амплітуда коливань]] [[атом]]ів, молекул, зменшується швидкість руху молекул (в [[рідина]]х та [[газ]]ах) та вільних [[електрон]]ів (в [[метал]]ах та [[напівпровідник]]ах). Останні приєднуються до іонізованих позитивних атомів.
Вважалося, що при досягненні абсолютного нуля вся можлива енергія у речовини відібрана і більше енергії відібрати не можна. При цьому будь-який рух в тілі припиняється (за виключенням обертання електронів навколо [[Ядро (атом)|ядра]] в атомі). Іншими словами, при 0К молекули ій атоми речовини мають найменшу енергію, яка вже не може бути відібрана у тіла ніяким охолодженням.
 
Дослідження властивостей тіл при температурах, близьких до абсолютного нуля, (кріогенних температурах) зацікавили вчених дуже давно. Наука, що вивчає цю галузь, називається [[кріофізика|кріофізикою]]. Шлях до кріогенних температур лежить через [[Скраплений газ|скраплення]] газів. Скраплений газ при випаровуванні відбирає енергію у тіла, яке занурене в цей газ, оскільки для відриву молекул від рідини потрібна енергія. Подібні процеси відбуваються в побутових [[холодильник]]ах, де скраплений газ [[фреон]] випаровується в [[морозильник]]у.
Рядок 22:
Отримавши рідкий [[гелій]], Камерлінг-Оннес почав займатись вивченням властивостей різних матеріалів при гелієвих температурах.
 
Одним із запитань, які цікавили вченого, було вивчення [[Електричний опір|опору]] металів при наднизьких температурах. Було відомо, що з ростом температури R (опір) зростає. Отже, можна очікувати, що іззі зменшенням температури R (опір) буде зменшуватись. А от до якої межі?
 
Тут могло б бути три варіанти.
# При абсолютному нулі R→0. Дійсно, [[Електричний струм|струм]] — це потік [[електрон]]ів, що проходить через [[Кристалічна ґратка|кристалічну ґратку]] [[провідник (фізика)|провідника]]. При ненульових температурах атоми в ґратці здійснюють коливання навколо [[центр рівноваги|центру рівноваги]], між вільними електронами та атомами відбувається зіткнення ([[розсіювання]]). Звернемо увагу на два наслідки такого зіткнення. По-перше, електрони втрачають свою енергію, отриману від [[Електричне поле|електричного поля]] джерела [[ЕРС]]. По-друге, вони відхиляються від початкового напрямку. Ці два наслідки відображаютьсявідбиваються ву зменшенні струму, тобто в виникненні опору. При зниженні температури [[амплітуда]] коливань атомів зменшується, а значить, зменшується і ймовірність [[Розсіювання частинок і хвиль|розсіювання]] на них електронів, тобто падає опір. Така модель довгий час задовольняла фізиків і якби залежність R(Т) пішла б по цьому варіанту, то це сприйнялося б із розумінням.
# Однак критики попередньої теорії звертали увагу на те, що опір R обумовлений зіткненням електронів не тільки з атомами, що коливаються. Електрони з успіхом можуть розсіюватися і на нерухомих атомах. Тобто, розсіювання зменшиться, але зовсім не зникне, тому R ≠ 0. Крім того існує можливість розсіювання електронів на [[Дефект кристалічної ґратки|дефектах ґраток]].
# Третій варіант: електрони «заморожуються» на атомних орбітах. Електронів провідності не залишається, опір зростає до нескінченості ([[∞]]).
Рядок 146:
== Властивості надпровідників ==
 
Надпровідність характеризується абсолютним [[діамагнетик|діамагнетизмом]]. У [[магнітне поле|магнітному полі]] в надпровідному матеріалі виникають такі струми, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле виштовхується із надпровідника. Завдяки цій властостівластивості виникає явище [[левітація|левітації]] надпровідника над магнітом (або магнітамагніту над поверхнею надпровідника), яке отримало назву ''[[труна Магомета]]''. Сильне магнітне поле руйнує надпровідність. Проте надпровідники розрізняються за своєю поведінкою у відносно сильних магнітних полях, у залежності від поверхневої енергії границі розділу надпровідної й нормальної фаз. У '''надпровідників I роду''' ця поверхнева енергія додатня, й надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний рівень, який називається '''критичним магнітним полем'''. У '''надпровідників II роду''' поверхнева енергія границі розділу нормальної та надпровідної фаз від'ємна, тож магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне значення (воно називається [[перше критичне магнітне поле|першим критичним полем]]), починає проникати в надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові струми (див. [[Абрикосівський вихор]]). 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 [[електромагніт]]ів.
 
== Теорії надпровідності ==
Рядок 158:
 
Між атомами існують пружні сили, що не дозволяють атомам відділятись або наближатись ближче деякого r<sub>крит</sub>.
Однак, при кімнатних температурах атоми здійснюють коливання навколо положення рівноваги; таким чином, ву ґратці постійно присутній коливальний рух, а кожний атом можна розглядати як [[маятник]], що здійснює рівномірні коливання навколо точки рівноваги.
Відміна від класичного маятника заключаєтьсяполягає в тому, що атом — це «квантовий маятник».
СправаРіч ву тому, що дійсно енергія атому може змінюватись тільки порціями — квантами, з енергією, де — це частота поглинутого або випромененого кванту.
При кімнатній температурі величина близька до kT — повної енергії атома, що коливається.
При зниженні температури, здавалося б, амплітуда коливань повинна прямувати до нуля. Однак, сучасні дослідження показують, що атоми і при Т = 0K будуть здійснювати коливання. Це «[[нульові коливання]] атомів». Вони не зникають ніколи.
 
Пружні сили, що примушують атоми коливатись, можна уявити собі як пружини, які з'єднують атоми. Якщо один ізз атомів одержить добавкудодаткову енергіїенергію, говорять, що проходить збудження атома. Додаткові коливання будуть передаватись через пружні зв'язки — пружинки до сусідніх атомів. Збудження буде поширюватись в кристалі у вигляді пружної хвилі.
 
Однак, за законами квантової механіки збудження атомів будуть передавати енергію порціями квантами. Така порція збудження, що поширюється кристалом, називається [[Квазічастинка|квазічастинкою]], у випадку пружних коливань — фононом.
Рядок 184:
{{main|Теорія БКШ}}
 
Фізики напружено працювали над створенням теорії надпровідності і приблизно за 50 років з [[1911]] до [[1957]] року загальні риси теорії були сформовані. Спочатку, в 50-х роках виникла [[феноменологія|феноменологічна]] теорія надпровідності (див. [[рівняння Гінзбурга-Ландау]]), яка успішно пояснювала поведінку напдровідників надпровідників у магнітних полях, а в [[1957]] році [[Джон Бардін]], [[Леон Ніл Купер]] й [[Джон Роберт Шріффер]] запропонували мікроскопічну теорію надпровідності, за яку в [[1972]] році одержали [[Нобелівська премія з фізики|Нобелівську премію]].
 
Основною ідеєю теорії БКШ є те, що [[електрон провідності|електрони провідності]] (вільні [[носії заряду]]) при певних температурах з'єднуються в пари, що називаються «[[куперівська пара|куперівськими]]». Зв'язок в таких парах достатньо сильний, і пари, рухаючись по ґратці, допомагають один одному уникнути [[розсіювання]].
Притягування між від'ємно зарядженими електронами важко уявити, оскільки загальновідоме [[закон Кулона|Кулонівське відштовхування]] між однойменно зарядженими часткамичастинками. Однак такі відштовхування безумовно виникають між ізольованими електронами. ВУ ґратці при низьких температурах, коли коливання атомів у вузлах практично зупинилось, може спостерігатись інше явище.
 
Під час руху електрона вздовж <!-- атомів --> кристалічної ґратки виникає електростатичне відштовхування між ним та від'ємними електронними оболонками атомів. Ці оболонки деформуються, віддаляючись від електронуелектрона, який вільно рухається. Можна сказати, що атоми поляризуються. Тобто біля розглядуваного електрону формується позитивний заряд. Цей позитивний заряд буде рухатись — супроводжувати збуджуючий електрон. До сформованого таким чином позитивного просторового заряду притягуватиметься якийсь інший електрон, що теж буде рухатись синхронно з позитивним зарядом, а, отже, синхронно з першим електроном. Утворилася так звана «куперівська пара» електронів.
Другий електрон в розглянутій парі сам є збудником іншого позитивного заряду в тій області, де він рухається. <!-- Тим самим, він об'єднується з третім електроном, той — з четвертим і так далі. — вилучено, бо, на мою думку, суперечить визначенню «куперівської пари»--> Електронний газ (так іноді називають вільні електрони в металі) при досягненні надпровідності перетворюється в «куперівську рідину».
 
Рядок 197:
Тільки ті, у яких рівні за модулем (<math>|P_1|=|P_2| </math>) та протилежні імпульси (<math>P_1 = - P_2 </math>), і у яких протилежні [[спін]]и.
 
ІзЗ рівності й протилежності імпульсів одержали, що нова [[квазічастинка]] «куперівська пара» має Р<sub>куп.</sub> = 0, і спін, рівний нулю.
Не слід думати, що в куперівській парі електрони близько розташовані один від одного. Розмір пари досить великий 10<sup>−6</sup> м = 1 мкм. Якщо врахувати, що між атомами відстань близько 10 <math>\AA </math>, тобто 1 нм, то одержимо, що між куперівськими електронами близько 1000 атомних відстаней. Таким чином, куперівська пара знаходиться в мікрооб'ємі, що є кубом зі стороною в 1000 атомів. ВУ цьому об'ємі вміщується
<math>10^3 \times 10^3 \times 10^3 = 10^9 </math> атомів і стільки ж, а то й більше, електронів. Куперівські пари перекриваються один з одним в межах мікрооб'єму — в межах всього кристалу, так, що поведінка всієї куперіської рідини стає скорельованою. При цьому розсіювання електронів стає неможливим. Припиняється втрата енергії електронами при розсіюванні, а також деформація траєкторій руху.
 
Отримано з https://uk.wikipedia.org/wiki/Надпровідність