Электрические свойства материалов при криогенных температурах

Электрическая проводимость материала определяется как значение электрического тока, приходящегося на единицу площади поперечного сечения, деленного на градиент разности потенциалов в направлении тока. Обратная величина электрической проводимости - электрическое сопротивление.

Когда на электрический проводник накладывается внешнее электрическое поле, свободные электроны в проводнике под его воздействием движутся в направлении приложенного поля. Это движение встречает сопротивление положительных ионов решетки металла и атомов примесей, присутствующих в материале. Понижение температуры проводника уменьшает энергию колебаний ионов, что, в свою очередь, ведет к уменьшению сопротивления движению электронов. Таким образом, для металлических проводников электрическая проводимость возрастает с понижением температуры а, следовательно, электрическое сопротивление возрастает. На рисунках 32 и 33 представлены зависимости электрического сопротивления материалов от температуры. Наблюдается значительное снижение электрического сопротивления для чистых металлов в диапазоне температур от 300 К до 60..80 К. Сопротивление падает при снижении температуры от 293 до 20.4 К: - в 176 раз для меди (М2), в 1130 раз для экстрачистого алюминия (содержание примесей по массе менее ), в 1.4 раза для нержавеющей стали. температурах меньше 60..80 К электрическое сопротивление меняется незначительно. Экстрачистый алюминий обладает гиперпроводимостью, что позволяет создавать на его основе мощные накопители электрической энергии на уровне гелиевых и водородных температур, так как электрические потери незначительны.

 

Рисунок 30 – Зависимость удельного объёмного электросопротивления материалов от температуры

Рисунок 31 – Зависимость удельного объёмного электросопротивления нержавеющей стали (12Х18Н10Т) от температуры

 

Явление сверхпроводимости

Удивительное свойство некоторых материалов проявляется при низких температурах, которое приводит не только к снижению электросопротивления, но и к его полному исчезновению и, одновременно, появлению совершенного диамагнетизма. Это явление называется сверхпроводимостью. Явление сверхпроводимости было открыто Камерлингом – Оннесом в Голландии в 1911 г. в процессе исследования электрического сопротивления проволоки из ртути.

В отсутствии магнитного поля многие химические элементы, сплавы и соединения, становятся сверхпроводящими при определённой температуре, называемой температурой перехода в нулевом поле Т_с. Сверхпроводимость может быть ликвидирована путем увеличения напряжённости магнитного поля вокруг материала. Напряженность магнитного поля, необходимая для ликвидации сверхпроводимости, называется напряженностью критического поля. Все сверхпроводники разделяются на сверхпроводники I и II рода.

Для сверхпроводников I рода существует единственное значение критического поля, при котором совершается переход от сверхпроводимости к нормальному состоянию. Для сверхпроводников II рода (так называемых жестких сверхпроводников) существует нижнее критическое поле, при котором переход начинается, и верхнее критическое поле, при котором переход завершается.

Для сверхпроводников как I, так и II рода существует максимальное тока, который может быть пропущен через материал без нарушения сверхпроводимости. Если электрический ток в сверхпроводниках I рода, текущий по сверхпроводнику, создает магнитное поле на поверхности материала, которое равно или превышает критическое поле, нормальное состояние сверхпроводника восстанавливается. Ток, соответствующий критическому полю, называется критическим.

Результаты эксперимента Мейснера — Оксенфельда показали, что плотность магнитного потока в объеме сверхпроводящего материала I рода всегда равна нулю вне зависимости от того, какое значение имела плотность магнитного потока в объеме материала перед переходом в сверхпроводящее состояние. Было показано, что сверхпроводимость — это не только нулевое электрическое сопротивление, но также совершенная магнитная изоляция, то есть появлениедиамагнетизма. Явление вытеснения магнитного поля из объёма сверхпроводника при переходе материала в сверхпроводящее состояние, называется эффектом Мейснера. Вытеснение магнитного поля означает равенство нулю магнитной индукции. В действительности магнитное поле проникает в сверхпроводник на глубину 10^-4…10^-5 мм. На рисунок 34 показано взаимодействие магнитного поля с обычным проводником (а) и сверхпроводником (б).

Эффект Мейснера используется для создания подшипников без трения.

Рисунок 32 – Взаимодействие магнитного поля с обычным проводником (а) и сверхпроводником (б)

Квантовая теория объясняет явление сверхпроводимости наличием пар электронов (куперовских пар), образуемым особым электронно-решеточным взаимодействием. Первый электрон, проходящий через решетку, вызывает смещение ионов, которое приводит к возникновению положительного экранирующеего заряда, несколько большего, чем заряд электрона. Второй электрон, таким образом, увлекается вперед, в область возникшего положительного заряда. Существует зависимость между всеми парами электронов в сверхпроводнике, и для разделения пары требуется определённое количество энергии, соответствующее так называемой пороговой зоне для сверхпроводника. По мере повышения температуры выше порогового значения, количество энергии становится достаточным для разъединения электронных пар и материал возвращается к нормальному состоянию.

В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау разработали феноменологическую теорию, которая объяснила разницу между сверхпроводниками I и II рода, используя параметр, связанный с поверхностной энергией материала. Те материалы, для которых параметр меньше , имеют положительную поверхностную энергию и являются сверхпроводниками I рода. Материалы, для которых параметр больше ,имеют отрицательную поверхностную энергию и являются сверхпроводниками II рода. Материалы с большим значением параметра будут иметь более высокое значение верхнего критического поля.

Для сверхпроводников I рода плотность магнитной индукции в объеме сверхпроводящего материала всегда равна нулю. Для сверхпроводников II рода аналогичный эффект проявляетсяпри значениях поля, меньших нижнего критического поля. При более высоких значениях поля оно начинает проникать в материал.

Сверхпроводники II рода имеют химические и физические неоднородности. Эти центры неоднородностей при взаимодействии с магнитным полем являются причиной нестабильности сверхпроводящего состояния. Возникает переход к нормальному состоянию на длинных проводниках. Поэтому используют стабилизацию сверхпроводников. Для этого сверхпроводник заключается в медную или серебряную матрицу. Это позволяет хорошо отводить тепло в случае появления нормальной зоны в сверхпроводнике.

Существует ряд свойств, которые изменяются либо резко, либо постепенно при переходе материала от нормального состояния к сверхпроводящему состоянию. Можно перечислить следующие свойства.

1. Теплоемкость. Теплоемкость резко возрастает, когда материал становится сверхпроводящим.

2. Термоэлектрические эффекты. Все термоэлектрические эффекты (эффекты Пельтье, Томсона и Зеебека) исчезают, когда материал становится сверхпроводящим. Сверхпроводящая термопара не будет работать вообще.

3. Теплопроводность. В отсутствие магнитного поля теплопроводность в сверхпроводящем состоянии обычно меньше чем в нормальном состоянии. В присутствии магнитного поля наблюдается дополнительное снижение теплопроводности.

4. Электрическое сопротивление. Для сверхпроводников I рода снижение сопротивления до нуля происходит очень резко; однако для сверхпроводников II рода оно всегда происходит в некотором температурном интервале.

5. Магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость для сверхпроводников I рода резко снижается до нуля (эффект Мейснера); однако для сверхпроводников II рода эффект Мейснера проявляется не полностью при магнитных полях, больших, чем нижнее критическое поле.

Некоторые из веществ, обладающих сверхпроводимостью, показаны в таблице 8. Здесь представлены данные о величинах критической температуры и критических величинах напряженности магнитного поля.

На рисунке 33 в виде диаграммы представлены этапы открытия материалов обладающих сверхпроводящими свойствами. Наиболее важное событие произошло в ноябре 1986 года, когда было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). С этого момента начался бурный рост открытий новых соединений обладающих сверхпроводимостью при температурах выше 20 К. Максимальная критическая температура в 130 К была достигнута 1993 году для соединения HgCaBaCuO.

Рисунок 33 – Хронологические этапы создания сверхпроводников

Все сверхпроводники условно разделены по двум характерным рабочим температурным диапазонам: высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) при Т ≥ 20 К и низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) при Т < 20 К.

Таблица 8

Критические температуры и магнитные поля

Материалы	Критическая температура, К	Критические поля (при 0 К), 10-4,Тл
Сверхпроводники 1-го рода
Родий	0.000325	0.049
Титан	0.39
Кадмий	0.52
Цинк	0.85
Галлий	1.08
Таллий	2.37
Индий	3.41
Олово	3.72
Ртуть	4.15
Свинец	7.19
Сверхпроводники 2-го рода
	Hc 1	Hc 2
Ниобий	9.25
Nb3Sn	18.1	–	220 000
Nb3Ge	23.2	–	400 000
Pb1Mo5,1S6	14.4	–	600 000
Yba2Cu3O7	90…100	1000*	1 000 000*
* Экстраполировано к абсолютному нулю.

 

На рисунке 34 показан общий вид кабеля для магнитов современного низкотемпературного сверхпроводники (НТСП) из Nb₃Sn и медной матрицы.

На рисунке 35 показан общий вид провода из современного высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) из висмутовой керамики и серебряной матрицы.

Рисунок 34 – Общий вид кабеля с использованием низкотемпературного сверхпроводники (НТСП) из Nb₃Sn и медной матрицы

 

А)	б)

Рисунок 35 – Общий вид провода изготовленного с использованием высокотемпературного сверхпроводники (ВТСП) из BiCaBaCuO и серебряной матрицы (производства фирмы Sumitoma критический ток провода до 180 А)