2.2.6.  Криопроводимость и сверхпроводимость проводников

При снижении температуры в металлических проводниках уменьша­ется амплитуда ангармонических тепловых колебаний узлов кристалличе­ской решетки. Вследствие этого уменьшается вероятность столкновения дрейфующих под действием электрического поля электронов с этими уз­лами, и величина сопротивления проводника уменьшается (см. выражение (2.1.)).

При достижении критических температур (ниже 100 K) удельная про­водимость металлов возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с про­водимостью при нормальной температуре. Подобное явление получило название криопроводимости или гиперпроводимости, а материалы, обладающие этими свойствами соответственно называют криопроводниками или гиперпровод­никами.

Для достижения особо высоких значений криопроводимости необхо­дима высокая частота поля и минимальное число искажений кристаллической решетки металла.

В качестве криопроводников наибольшее применение находят медь, алюминий и бериллий.

Как уже отмечалось, при снижении температуры удельное сопротив­ление металлов уменьшается. Представляет большой интерес электропро­водность металлов при температурах, близких к абсолютному нулю.

В 1911 году голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении до температуры 4,2 К сопротивление кольца из замо­роженной ртути внезапно падает практически до нуля. Это исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной про­водимости материала, было названо сверхпроводимостью.

Температура, при которой совершается переход вещества в сверхпро­водящее состояние, называют температурой сверхпроводящего перехода (Tкр). Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым.

В дальнейшем помимо ртути явление сверхпроводимости было обна­ружено и у других материалов. Такие материалы получили название сверхпроводников. В настоящее время известно 27 простых сверхпроводников (чистых металлов) и более тысячи сложных (сплавов и соединений). Параметры не­которых сверхпроводников приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Ориентировочные значения свойств некоторых сверхпроводников

Мягкие сверхпроводники

Твердые сверхпроводники

Материал

Ткр0, К

Вкр0, Т

Материал

Ткр0, К

Вкр0, Т

Алюминий (А1)

1,2

0,010

Сплав 44 % Nb + 56 % Ti

8,7

12

Ртуть (Нg)

4,2

0,041

Сплав 50 % Nb + 50 % Zr

9,5

11

Свинец (РЬ)

7,2

0,080

Галлид ванадия V3Ga

14

50

Ниобий (Nb)

9,4

0,195

Станнид ниобия Nb3Sn

18

22

Если сверхпроводники поместить в магнитное поле, то при достиже­нии критического значения напряженности (Нкр) состояние сверхпроводи­мости разрушается.



Это может быть вызвано также магнитным полем кри­тического тока (Iкр), проходящего по сверхпроводнику.

Очень важным свойством сверхпроводников является эффект вытес­нения постоянного магнитного поля из объема сверхпроводника.

В зависимости от поведения в магнитном поле выделяют два основ­ных типа сверхпроводников:

· сверхпроводники I рода (мягкие) характеризуются резким переходом в сверхпроводящее состояние при одном (фиксированным) значением Нкр. При этом происходит полное вытеснение магнитного поля из объема сверхпроводника;

· сверхпроводники II рода (твердые) характеризуются при переходе в сверхпроводящее состояние двумя значениями Нкр1 и Нкр2. Область Нкр1 – Нкр2 соответствует смешанному состоянию проводимости материала  (сверхпроводимость и криопроводимость) и частичному вытеснению маг­нитного поля из объема материала.

Необходимо отметить, что термины «мягкий» и «твердый» не характери­зует механических свойств материалов. Эти термины связаны с малым значением Нкр у «мягких» и высоким значением Нкр у «твердых» сверх­проводников.

Для конкретного сверхпроводника каждому значению T i(Ti < Tкр) со­ответствует свое значение Hi (Hi < Hкр). Совокупность значений Ti и Hi раз­граничивают области сверхпроводящего состояния и состояния обычной проводимости материала.

Физическая сущность явления сверхпроводимости весьма сложна и до конца не изучена. При рассмотрении этого явления необходимо учитывать зонную теорию твердых тел и квантово-механические представления.