Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
P PrP Pnp- і
Здесь рт — удельное сопротивление, которое обусловлено рассеянием электронных волн на флуктуациях плотности, рпр — ¦
1 Для таких металлов концентрации электронов проводимости и ио- * нов решетки совпадают.
§ VII.2.6. ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
599
Jnp
удельное сопротивление, которое связано с рассеянием на примесях и не зависит от температуры. Так как при T —» 0 ру, —» 0, то с понижением температуры р —» рпр; рпр называется остаточным удельным сопротивлением. Это сопротивление остается у металла при охлаждении вплоть до абсолютного нуля.
На рис. VII.2.4 показана зависимость удельного сопротивления от
температуры. Отрезок, отсекаемый на оси ординат продолжением кривой до T = О К, представляет собой остаточное удельное сопротивление.
Остаточное
сопротивление
О
Рис. VII.2.4
§ VII.2.6. Явление сверхпроводимости
1°. Явление сверхпроводимости состоит в том, что у некоторых металлов и сплавов происходит резкое падение удельного сопротивления вблизи определенной температуры Tc, называемой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Вещества, обладающие такими свойствами, называются сверхпроводниками. В настоящее время известно свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. Температурный интервал AB (рис.
VII.2.5) перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей градуса, и поэтому имеет смысл определенное значение Tc. Ширина интервала AB зависит от неоднородности металла, в первую очередь от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные в настоящее время температуры Tc изменяются в пределах от 0,155 К (BiPt) до 23,2 К (№>3Ge) (о высокотемпературной сверхпроводимости см. п. 10°).
Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Tc обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов (VIII. 1.1.3°) одного и того же сверхпроводящего металла.
2°. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. При
600
ГЛ. VII.2. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
действии на проводник магнитного поля температура перехода в сверхпроводящее состояние снижается.
Магнитное поле с напряженностью Hc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Hc воз-
растает в первом приближении по закону Hc = Hq
Кривая на рис. VII.2.6 разделяет области сверхпроводящего и нормального состояния вещества.
Сверхпроводящие свойства проводников исчезают при пропускании через них сильного электрического тока, создающего магнитное поле, разрушающее сверхпроводящее состояние сверхпроводников.
3°. Внешнее магнитное поле, более слабое, чем критическое (п. 2°), не проникает в толщу сверхпроводника. Магнитная индукция В в объеме сверхпроводника равна нулю (эффект Мейснера). На рис. VII.2.7 однородное магнитное поле (111.10.1.4°) направлено вдоль оси цилиндрического сверхпроводника. Сверхпроводник как бы «выталкивает» магнитное поле из занимаемой им части пространства и является идеальным диамагнетиком с магнитной восприимчивостью (111.12.3.4°) к = -1. При этом магнитная проницаемость
4°. Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Так, в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Tc (п. 1°) скач-
(111.12.4.5°) ц=1+х=0иВ= ц0цЯ = 0.
P
Я0
Нормальное
состояние
О Tc
T
О
Рис. VII.2.5
Рис. VII.2.6
§ VII.2.6. ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
601
кообразно изменяется теплоемкость (11.2.5.1°), т. е. происходит фазовый переход II рода (11.5.4.2°). При наличии магнитного поля изотермический переход из сверхпроводящего состояния в нормальное связан со скачкообразным изменением свободной энергии и теплоемкости. Он сопровождается поглощением теплоты, т. е. является фазовым переходом I рода (11.5.3.3°).
5°. Квантово-механическая теория явления сверхпроводимости рассматривает его как сверхтекучесть (11.5.4.3°) электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно — без «трения» об ионы кристаллической решетки. Основная особенность сверхпроводников заключается в том, что в них возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар, называемых куперовски-ми парами. Причиной этого притяжения является дополнительное к кулоновскому отталкиванию взаимодействие между электронами, осуществляемое под воздействием кристаллической решетки. Возникновение этого притяжения пояснено на рис. VII.2.8. Электрон проводимости ег притягивает к себе ион
I кристаллической решетки, смещая его из положения равновесия. При этом изменяется электрическое поле в кристалле — ион I создает электрическое поле, действующее на электроны проводимости, в том числе и на электрон е2. Взаимодействие электронов е\ и е2 осуществляется с помощью кристаллической решетки. Смещение иона под действием электрона приводит к тому, что электрон оказывается окруженным «облаком» положительного заряда, превышающего
