XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Сверхпроводник — материал, электрическое сопротивление которого при понижении температуры до некоторой величины T_c становится равным нулю (сверхпроводимость). При этом говорят, что материал приобретает «сверхпроводящие свойства» или переходит в «сверхпроводящее состояние».

В настоящее время проводятся исследования в области сверхпроводимости с целью повышения температуры T_c (высокотемпературная сверхпроводимость).

В зависимости от свойств сверхпроводники делят на три группы:

Сверхпроводники I рода;

сверхпроводники 1.5 рода;

сверхпроводники II (второго) рода.

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля теплота перехода (поглощения или выделения) из сверхпроводящего состояния в обычное равна нулю, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода.

Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока. Из экспериментального наблюдения данного факта делается вывод о существовании незатухающих токов около поверхности сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

В представленной ниже таблице (см. таблицу 1) перечислены некоторые сверхпроводники и характерные для них величины критической температуры (T_c) и предельного магнитного поля (B_c).

Магнитное поле, силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В,который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (см. Лоренца сила); действие магнитного поля на тела, имеющие магнитный момент, а также другие свойства.

Таблица 1

  Впервые термин «М. п.» ввёл в 1845 М. Фарадей, считавший, что как электрические так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах 20 века (см. Квантовая теория поля).

  Источниками макроскопического М. п. являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: М. п. возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента (см. Магнетизм).

  М.. п. электрического тока определяется Био — Савара законом: М. п. тел, имеющих магнитный момент, — формулами, описывающими поле магнитного диполя(в общем случае — мультиполя).

Рис. 1

Переменное М. п. возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени М. п. возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики М. п. часто вводят силовые линии поля (линии магнитной индукции). Касательная в каждой точке такой линии имеет направление вектора В в этой точке. Числом силовых линий, проходящих через единичную перпендикулярную к ним площадку, количественно определяют индукцию поля. В местах повышенных значений В линии индукции сгущаются, в тех же местах, где поле слабее, линии р
асходятся (см., например, рис. 1).

Рис. 2 Рис. 3

Для получения сильных полей применяют сверхпроводящие соленоиды (до 150—200 кгс, рис. 2), соленоиды, охлаждаемые водой (до 250 кгс, рис. 3), импульсные соленоиды (до 1,6 Мгс, рис. 4). Силы, действующие на проводники с током в сильных М. п., могут быть очень велики (так, в полях ~ 250 кгс механические напряжения достигают 4·108 н/м2, то есть предела прочности меди). Эффект давления М. п. учитывают при конструировании электромагнитов и соленоидов, его используют для штамповки изделий из металла. Предельное значение поля, которое можно получить без разрушения соленоида, не превышает 0,9 Мгс.

Сверхсильные М. п. используют для получения данных о свойствах веществ в полях свыше 1 Мгс и при сопутствующих им давлениях в десятки млн. атмосфер. Эти исследования позволят, в частности, глубже понять процессы, происходящие в недрах планет и звёзд. Сверхсильные М. п. получают методом направленного взрыва (рис. 5). Медную трубу, внутри которой предварительно создано сильное импульсное М. п., радиально сжимают давлением продуктов взрыва. С уменьшением радиуса R трубы величина М. п. в ней возрастает ~ 1/R2(если магнитный поток через трубу сохраняется). М. п., получаемое в установках подобного типа (так называемых взрывомагнитных генераторах), может достигать нескольких десятков Мгс. К недостаткам этого метода следует отнести кратковременность существования М. п. (несколько мксек), небольшой объём сверхсильного М, п. и разрушение установки при взрыве.

Рис. 4

Литература

Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2);

Тамм И. Е., Основы теории электричества, 8 изд., М., 1966;

Парселл Э., Электричество и магнетизм, перевод с английского, М., 1971 (Берклеевский курс физики, т. 2);

Карасик В. Р., Физика и техника сильных магнитных полей, М., 1964;

Монтгомери Б., Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов, перевод с английского, М., 1971;

Кнопфель Г., Сверхсильные импульсные магнитные поля, перевод с английского, М., 1972;

Кольм Г., Фриман А., Сильные магнитные поля, «Успехи физических наук», 1966, т. 88, в. 4, с. 703;

Сахаров А. Д., Взрывомагнитные генераторы, там же, с. 725;

Биттер Ф., Сверхсильные магнитные поля, там же, с. 735;

Вайнштейн С. И., Зельдович Я. Б., О происхождении магнитных полей в астрофизике, там же, 1972, т. 106, в. 3.

Код для цитирования: Скопировать