Св — сверхпроводниковое состояние; См — смешанное состояние; П — проводниковое (нормальное) состояние

стояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля (при Т< Т_кр). Значения критической температуры и крити­ческой напряженности Я_кр магнитного поля у них малы (максималь­ные Т_кр и Я_кр имеет Pb, у него Т_кр = 7,2 К, Н_кр = 65 кА/м, а мини­мальные — вольфрам W, у него Г_кр = 0,01 К, Н_кр = 0,1 кА/м), что затрудняет их практическое применение. Для них характерным явля­ется проявление эффекта Мейсснера—Оксинфельда — выталкивание из объема образцов магнитного поля при переходе в сверхпроводни­ковое состояние, т. е. образцы становятся идеальными диамагнети- ками. Данные (Г_кр, Н_кр и др.), приведенные здесь и ниже, постоянно уточняются, пополняется и список сверхпроводников. К сверхпро­водникам I рода относятся все чистые металлы, кроме переходных металлов. Основной их недостаток заключается в том, что (кроме низких значений Т_кр) у них самые низкие среди сверхпроводников значения Я^, а это существенно ограничивает плотность тока и тем самым препятствует их практическому использованию. Зависимость Н_кр от температуры представлена на рис. 13.5, а.

Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводниковое состоя­ние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения T_KV и Я_кр у них больше, чем у сверх­проводников I рода. При переходе от нормального (проводникового) состояния (П) в сверхпроводниковое (Св) у них наблюдается сме­шанное состояние (См), при котором одновременно сосуществуют сверхпроводниковая и нормальная фазы (см. рис. 13.5, б). Поэтому для сверхпроводников II рода характерно наличие двух критических напряженностей магнитного поля (Я_кр1 и Я_кр2). Различие в значениях Н_кр1 и Я_кр2 может быть в сотни раз. Эффект Мейсснера—Оксенфель­да наблюдается только в области напряженности магнитного поля от 0 до Якр,. В области смешанного состояния (в области Я^,—Я_кр2) магнитное поле из объема образца выталкивается частично, т. е. эф­фект Мейснера—Оксенфельда становится неполным. Кривая #_кр2(7) представляет границу между смешанным и нормальным состояния­ми. Критическая плотность тока, несмотря на высокое значение #_кр2, небольшая, что является существенным недостатком. Некото­рые сверхпроводники II рода обладают не только относительно вы­сокими значениями Г_кр, но, что особенно ценно, и высокими значе­ниями #_кр и у_кр. Сверхпроводниковые свойства сильно зависят от степени дефектности образца и технологии его получения. К сверх­проводникам II рода из чистых металлов относятся только ниобий Nb (Г_кр = 9,22 К, #_кр2=155 кА/м), ванадий V (Г_кр = 5,43 К, Дф2 ⁼ Ю9 кА/м), технеций Тс (Г_кр = 7,80 К, #_кр2 = 112 кА/м) и все сверхпроводниковые сплавы и химические соединения, очень тон­кие пленки из сверхпроводников I рода (у них значения Т_кр, Н_кр и у_кр более высокие, чем у толстых пленок).

Сверхпроводники III рода — это сверхпроводники II рода, имею­щие крупные неоднородности (дефекты решетки и примеси); такие сверхпроводники называют «жесткими». При пластическом деформи­ровании в холодном состоянии, например протяжке, в кристалличе­ской решетке резко увеличивается концентрация дефектов. В ре­зультате критическая плотность тока j_Kp возрастает на несколько десятичных порядков. К «жестким» сверхпроводникам относится большая группа сплавов и химических соединений на основе ниобия Nb и ванадия V. Например, сплавы: Nb—Ti (Г_кр = 10 К, Н^ ⁼ 8 МА/м, А,-0,5 ГА/м²), V-Ga (7^ = 14,2 К, Н^ = 18 МА/м,1,6 ГА/м²), Nb—Ge (7^ = 23,2 К, 1 ГА/м²); химические соединения: NbN (Г_кр = 17,3 К), (Yoyrho^C^ (Т_кр = 17 К); тонкие пленки из сверхпро­водниковых металлов: А1 (7^ = 5,8 К при h = 50 нм), Bi (7^ = 8 К при h = 300 нм), Nb (Т_кр = 9,8 К при h = 12000 нм) и др.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Рассмотренные выше сверхпроводники, в том числе сверхпроводники III рода, име­ют весьма низкие критические температуры Т_кр (Т_кр < 24 К). Поэтому установки, в которых они используются, необходимо охлаждать жидким гелием, что сложно и дорого (жидкий гелий дороже жидко­го азота более чем в 30 раз). Для практического использования нуж­ны сверхпроводники, которые могли бы работать при температуре жидкого азота (Т_умп = —195,6 °С) и выше. Получение сверхпроводни­ков с критической температурой, равной комнатной температуре и выше, привело бы к подлинной революции в электро- и радио­технике.

В 1986-1987 гг. ряд ученых Швейцарии, СССР, США, Китая, Японии получили принципиально новый сверхпроводниковый мате­риал — высокотемпературную сверхпроводящую керамику, имеющую температуру перехода в сверхпроводниковое стояние выше 30 К. Пер­выми получили керамические ВТСП швейцарские ученые К. Мюллер и Дж. Беднорц, удостоенные за это открытие Нобелевской премии. В настоящее время известно несколько высокотемпературных сверх­проводящих керамик с общими формулами: лантановая керамика
(La₁__xBa)₂CuO,._y — Т_кр = 56 К, иттриевая Y-Ba-Cu-O — Т_к = 91 К висмутовая Bi—Sr—Са—О — Т_кр= 115 К, таллиевая Т1—Ва—Са—Си—О — Т_кр = 119 К и, наконец, ртутная Hg—Ва—Са—Си—О — характеризует­ся максимальной Г_кр (7^ = 135 К). В последние годы разработана технология получения текстурированной керамики, которая по­зволила увеличить критическую плотность тока у_кр на порядки. Например, у текстурированной иттриевой керамики при температуре 77 К в магнитном поле, имеющем магнитную индукцию В = 1 Тл, = 10⁸ А/м², а в тонких (h ~ 0,2 мкм) пленках j^ достигает 10¹⁰ А/м² и, что важно, слабо зависит от индукции магнитного поля.

Морфологически сверхпроводящие керамические системы со­стоят из сверхпроводящих гранул, которые характеризуются доста­точно высокой у_кр. Однако межгранульное пространство имеет невы­сокую у_кр и поэтому снижает критическую плотность транспортного тока ВТСП, что затрудняет их применение в технике. Кроме того,у_кр межгранульного пространства сильно зависит от индукции магнит­ного поля.

Получение длинномерных изделий (проволоки или лент) из керамических ВТСП является сложной технологической пробле­мой. По этой причине их применяют пока только в электронике: болометры, электрические фильтры, антенны, приборы для меди­цинской диагностики и др. В пригороде Детройта (США) плани­руется замена медных маслонаполненных кабелей, охлаждаемых жидким азотом, на сверхпроводящие из висмутовой керамики. Эта сверхпроводящая электросеть будет иметь следующие пара­метры: длина 120 м, U_HOM = 24 кВ, ток 2,4 кА, передаваемая мощ­ность до 100 МВ А.

13.3. КРИОПРОВОДНИКИ

Криопроводниками называют металлические проводники высо­кой проводимости, используемые при криогенных температурах (при Т<—195 °С). Удельное сопротивление криопроводников при охлаждении снижается плавно, без скачков, и при Т< —195 °С ста­новится на несколько десятичных порядков ниже, чем при нормаль­ной температуре (рис. 13.6).

При глубоком охлаждении металлического проводника его со­противление снижается потому, что уменьшаются тепловые колеба­ния узлов кристаллической решетки и, следовательно, уменьшается рассеяние электронов проводимости на этих колебаниях. При очень низких температурах составляющая удельного сопротивления, вы­званная рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кри­сталлической решетки, становится пренебрежимо малой, и удельное сопротивление в основном обусловливается дефектами решетки, вы­званными наличием примесей и наклепа. Поэтому металлы, исполь­зуемые в качестве криопроводников, должны быть хорошо отожжен­ными и иметь высокую степень чистоты.

Дата добавления: 2015-08-09