Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
СВЕРХПР0Е0ДШ1КИ И ИХ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
333
2. Сверхпроводник ниже критической температуры не оказывает никакого электрического сопротивления только тогда, когда ток постоянный. В случае переменных токов сопротивление отлично от нуля и тем больше, чем выше частота переменного тока. Этот факт проще всего понять на основе так называемой двухжидхестной модели сверхпроводника. Согласно этой модели электроны, создающие электрический ток в сверхпроводнике, разделяются на деє группы: сверхпроводящие и нормальные. Сверхпроводник как бы пропитан двумя электрическими жидкостями, откуда и произошло название модели. Сверхпроводящие электроны при сеоєм движении не встречают никаких сил сопротивления, они движутся по инерции, а потому для поддержания сверхпроводящего тока пе требуется никакого электрического поля. Напротив, нормальные электроны испытывают столкновения с атомами решетки, как в обычных металлах, и для тока нормальных электронов справедлив обычный закон Ома. При включении электрического поля ускоряются как сверхпроводящие, так и нормальные электроны. Когда ток становится постоянным, электрическое поле в сверхпроводнике должно исчезнуть, так как в противном случае сверхпроводящие электроны непрерывно ускорялись бы, а создаваемый ими ток неограниченно возрастал бы. Но при отсутствии электрического поля нормальные электроны не могут создать никакого тока. Ток создается только сверхпроводящими электронами, а потому и пе возникает никакого электрического сопротивления. Если же сила тока меняется, то в сверхпроводнике должно существовать электрическое поле, ускоряющее как сверхпроводящие, так и нормальные электроны. Появляется ток нормальных электронов и связанные с ним электрическое сопротивление и джоулево тепло. Правда, для обычных переменных токов, с которыми имеет дело электротехника (частота v ^ 50 Гц), на долю тока нормальных электронов приходится ничтожная часть. Однако с повышением частоты эта доля непрерывно возрастает. Когда частота v становится достаточно высокой, начинают проявляться квантовые эффекты, еще больше увеличивающие потери энергии на джоулево тепло. Эго происходит тогда, когда энергии кванта hv достаточно для перевода сверхпроводящего электрона на более высокий энергетический уровень, т. е. в группу нормальных электронов. Частоту v легко оценить,заметив, что, когда температура достигает критической, энергия теплового движения kT становится достаточной для такого перехода. Поэтому должно быть hv > kTK. Так как Тк ~ 1 К, тс отсюда получаем vi> Ю11 Гц, т. е. указанный процесс начинает происходить в области инфракрасных частот. С изложенной точки зрения понятно, почему сверхпроводники, даже при температуре ниже критической, в оптическом отношении ведут себя как обычные металлы.
3. Перейдем теперь к рассмотрению магнитных свойств сверхпроводников. До 1933 г. считалось, что в магнитном отношении
334
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
[ГЛ.. III
сверхпроводники ведут себя просто как идеальные проводники, т. е. тела, электропроводность которых бесконечно велика. В идеальном проводнике, как известно (см. § 71), сохраняется магнитный поток через любой «жидкий» контур, движущийся вместе с проводником. Если проводник твердый (а все сверхпроводники твердые) и неподвижен, то и всякий «жидкий» контур в нем также неподвижен и недеформнруем. Так как контур можно взять бесконечно малым и любым, то из сохранения потока ^ В dS следует и сохранение вектора В. Таким образом, индукция В в твердом идеальном проводнике не может изменяться.
13 2
Идеальный проводник
Сверхпроводник 1 родя Рис. 197. '
Применим доказанную теорему к сверхпроводникам. Будем характеризовать внешние условия, в которых находится сверхпроводник, температурой Т и внешним приложенным магнитным полем Ве (создаваемым, например, электромагнитом), откладывая эти параметры на осях координат (рис. 197). Переведем сверхпроводник (имеющий, например, форму шара) из несверхпроводящего состояния 1 в сверхпроводящее состояние 2 по пути 132. Сначала, не меняя магнитного поля Ве, охладим тело до точки 3, переведя его в сверхпроводящее состояние. Все сверхпроводники не ферромагнитны, так что их магнитная проницаемость очень близка к единице. Поэтому при указанном охлаждении поле внутри и вне сверхпроводника не изменится. В точке 3, сохраняя температуру постоянной, выключим внешнее приложенное поле Ве, т. е. перейдем в точку 2. В силу доказанной теоремы магнитное поле внутри сверхпроводника не изменится. Вне сверхпроводника останется неоднородное магнитное поле, так как должно выполняться граничное условие — непрерывность нормальных составляющих вектора индукции на границе тела. Произведем теперь переход в ту же точку 2 по пути 1452. В наших рассуждениях ничего не изменится — достаточно в качестве исходной взять просто точку 4, где внешнее
СВЕРХПРОВОДНИКИ И ИХ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
335
приложенное поле Ве слабее, ЧЄіМВТОЧКЄ 1. В точке 2 внутри и вне тела получится такая же картина поля, что и раньше, только поле всюду будет слабее. В частности, если переход произвести по пути 1462, то магнитное поле в конечном состоянии всюду будет равно нулю. Таким образом, заданием внешних параметров Г и В, состояние сверхпроводника не определяется однозначно. Сверхпроводник может перейти в любое из бесчисленного множества состояний в зависимости от «пути перехода», т. е. от способа, каким достигнуты значения параметров Т и Ве.
