Что такое сверхпроводимость и какие материалы ею обладают

В основе сверхпроводимости лежит эффект, при котором материал полностью теряет электрическое сопротивление и становится способным пропускать электрический ток без каких-либо потерь энергии. Это происходит благодаря образованию пары электронов, которые двигаются через решетку кристаллической структуры без взаимодействия с атомами, что обычно вызывает сопротивление.

Сверхпроводимость проявляется только в некоторых веществах при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 °C). Однако, в последние годы были открыты так называемые «высокотемпературные сверхпроводники», которые могут сохранять свои сверхпроводящие свойства при более высоких температурах.

Среди материалов, обладающих сверхпроводимостью, самым известным является ртуть. Однако, в настоящее время исследователи открыли исключительно многочисленные классы материалов, таких как металлы, сплавы, полупроводники и даже некоторые органические вещества, которые также обладают сверхпроводящими свойствами.

Определение и основные свойства

Одним из главных свойств сверхпроводимости является нулевое сопротивление. Это значит, что электрический ток может проходить через сверхпроводник без каких-либо потерь энергии. Это явление открыто в 1911 году голландским физиком Хеике Камерлингх Оннесом.

Также сверхпроводники обладают явлением, называемым мезоскопическим квантовым эффектом. Это проявляется в том, что электроны в сверхпроводнике подчиняются квантовым законам и могут двигаться только с определенными значениями энергии. Кроме того, сверхпроводники обладают спонтанной симметрией фазовых функций.

Особенно интересным свойством сверхпроводников является эффект Мейсснера. При проникновении магнитного поля в сверхпроводник его полное исключение из материала. Это явление заставило многих исследователей задуматься о его физической природе и разработать различные теории, объясняющие его проявление.

История открытия и развитие

Сверхпроводимость как явление была открыта в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. В ходе исследования влияния низких температур на проводимость металлов, Камерлинг-Оннес обнаружил, что некоторые материалы при понижении температуры до определенного значения полностью теряют электрическое сопротивление. Это означало, что электрический ток может проходить через эти материалы без каких-либо потерь энергии.

Однако, первоначальные работы Камерлинг-Оннеса не получили широкого признания, и сверхпроводимость осталась малоизученным явлением до середины 20 века. И только в 1957 году, доктором Джоном Барденом и его группой исследователей было обнаружено сверхпроводимость в материале, состоящем из сверхтонкой пленки свинца.

Открытие Бардена стало точкой отсчета для новых открытий и исследований в области сверхпроводимости. Сверхпроводники на основе различных материалов были открыты и изучены, и было установлено, что наличие сверхпроводимости зависит от таких параметров, как температура, давление и состав материала.

Снова большим прорывом в изучении сверхпроводимости стало открытие высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году. Физики Карл Мюллер и Йоханн Беднёрдых открыли, что определенный класс кислородсодержащих соединений может проявлять сверхпроводимость даже при высоких температурах, вплоть до комнатной.

С тех пор исследователи по всему миру продолжают исследования и работы по обнаружению и созданию новых материалов со сверхпроводимыми свойствами. Открытия в области возможности сверхпроводимости при комнатной температуре могут иметь огромное значение для различных областей науки и технологий, таких как энергетика, медицина и транспорт.

Классификация сверхпроводников

• Металлические сверхпроводники: большинство сверхпроводников относятся к этому классу. Они состоят из металлических элементов, таких как алюминий, свинец и медь. Металлические сверхпроводники обычно обладают высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.
• Керамические сверхпроводники: этот класс сверхпроводников состоит из сложных оксидов, таких как оксид иттрия-бария-меди, который обладает одной из самых высоких критических температур сверхпроводимости. Керамические сверхпроводники также известны как высокотемпературные сверхпроводники, так как их критическая температура выше комнатной.
• Органические сверхпроводники: эти сверхпроводники содержат органические молекулы, такие как фуллерены и органические соли. Они обладают низкой критической температурой и используются в различных электронных приборах.
• Железопниковые сверхпроводники: это класс сверхпроводников, основанных на железных пниктидах (арсениде, гидриде, фосфиде и селениде железа). Они имеют среднюю критическую температуру и могут быть использованы в сфере энергетики.

Классификация сверхпроводников позволяет упорядочить и систематизировать различные материалы с учетом их свойств и характеристик. Это помогает в исследованиях и разработках в области сверхпроводимости, а также может привести к созданию новых материалов с еще более улучшенными сверхпроводящими свойствами.

Типы сверхпроводников по магнитным свойствам

Существуют различные типы сверхпроводников по магнитным свойствам. Основные типы магнитных сверхпроводников включают:

1. Тип I: Этот тип сверхпроводников характеризуется полным исключением магнитного поля, когда температура материала опускается ниже критической точки. При этом магнитное поле полностью выталкивается изнутри сверхпроводника, что называется эффектом Мейсснера-Очена. Примерами таких сверхпроводников являются свинцовый и алюминиевый сверхпроводники.

2. Тип II: Эти сверхпроводники обладают более сложной структурой магнитных свойств. При понижении температуры ниже критической точки, они исключают магнитное поле из некоторой области своего объема, но пропускают его через центральные каналы, образуя так называемые сверхпроводящие каналы, где ток проходит без сопротивления. Эти сверхпроводники обычно обладают более высокой критической температурой и применяются в мощных электромагнитах и синхротронах.

Каждый тип сверхпроводников имеет свои особенности и находит применение в различных областях науки и техники. Изучение магнитных свойств сверхпроводников позволяет лучше понять принципы их работы и их потенциальные приложения.

Материалы, обладающие свойствами сверхпроводимости

Сверхпроводимость была открыта в 1911 году голландским физиком Хеиком Камерлингхом Оннесом при исследовании металлов. На протяжении последующих десятилетий было обнаружено, что сверхпроводимость может проявляться не только в металлах, но и в различных соединениях и материалах.

Одним из самых известных материалов, обладающих сверхпроводимостью, является ртуть. Это самый первый материал, в котором было обнаружено свойство сверхпроводимости. Ртуть становится сверхпроводящей при температуре ниже 4,2 К (-268,95°C).

Керамика — еще один класс материалов, обладающих сверхпроводимостью. Особенностью керамических сверхпроводников является то, что они могут обладать свойствами сверхпроводимости при гораздо более высоких температурах. Наиболее известным керамическим сверхпроводником является оксид иттрия, бария и меди (YBa2Cu3O7). Этот материал становится сверхпроводящим при температуре около 93 К (-180,15°C).

В последние десятилетия было обнаружено множество других материалов, обладающих свойствами сверхпроводимости при различных температурах. Среди них можно выделить магнезий диборид (MgB2), железо-селениды (FeSe), лантан-стронциевую медь оксид (La2-xSrxCuO4) и многие другие.

Исследования в области сверхпроводимости продолжаются, и в будущем, возможно, будут открыты новые материалы, обладающие этим удивительным свойством. Понимание механизмов сверхпроводимости и разработка новых сверхпроводников имеет большое техническое и научное значение и может привести к созданию более эффективных энергетических систем и устройств.

Как сверхпроводимость работает

Основу сверхпроводимости составляет парное образование электронов, которое называется Куперовским парамагнитным состоянием. При этом электроны соединяются в пары, благодаря взаимодействию с кристаллической решеткой материала. Пары электронов образуют так называемые Бозе-эйнштейновские конденсаты, которые движутся без рассеяния.

В сверхпроводниках, в отличие от обычных материалов, электроны движутся в кооперативном режиме, что позволяет достичь суперпроводимости. При этом сверхпроводник обладает нулевым сопротивлением, что означает отсутствие потерь энергии при движении электрического тока.

Кроме того, сверхпроводимость проявляется в эффекте Мейсснера. Этот эффект заключается в том, что сверхпроводник выталкивает магнитные поля из своего объема. Поэтому, когда магнитное поле проникает внутрь сверхпроводника, оно создает электромагнитные силы, которые отталкивают его и не позволяют проникнуть в материал.

Сверхпроводимость находит широкое применение в научных и промышленных областях. Она используется в силовых кабелях, медицинских сканерах, магнитных резонансных томографах и др. Благодаря своим уникальным свойствам, сверхпроводимые материалы играют важную роль в разработке новых технологий и устройств.

Сверхпроводимость и электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление возникает в результате столкновения электронов с решеткой материала и другими электронами. В обычных условиях эти столкновения приводят к диссипации энергии в виде тепла. Однако при сверхпроводимости, под воздействием низких температур и специфических свойств материала, электроны образуют так называемые «Куперовские пары», которые проходят сквозь решетку материала без каких-либо столкновений и потерь энергии.

Сверхпроводимость можно наблюдать только при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Однако некоторые материалы обладают сверхпроводимостью уже при достаточно высоких температурах, что делает их более практичными для применения в реальных условиях.

Сверхпроводимость находит свое применение в различных областях науки и техники. Она используется в магнитных резонансных томографах, ускорителях заряженных частиц, суперкомпьютерах, создании мощных магнитов и других технологиях. Исследования в области сверхпроводимости продолжаются и открывают новые возможности для использования этого явления в различных сферах жизни.

Теория БКШ и объяснение свойств сверхпроводников

Когда температура падает ниже критической для данного материала, электроны начинают образовывать пары с противоположным спином и протекать через решетку материала без какого-либо сопротивления. Это означает, что электрический ток может течь через сверхпроводник без потерь, что делает его идеальным материалом для создания электрических цепей с высокой эффективностью.

Кроме того, сверхпроводимость обладает свойством магнитного экранирования. Когда сверхпроводник находится в магнитном поле, он выталкивает магнитные силовые линии из своего внутреннего объема, что создает эффект магнитного отталкивания. Это позволяет сверхпроводникам создавать сильные магнитные поля, которые могут использоваться в различных технологических приложениях, включая магнитные резонансные томографы и магнитные сепараторы.

Однако, чтобы материал стал сверхпроводником, он должен обладать определенными свойствами. Во-первых, он должен иметь достаточно низкую критическую температуру, ниже которой проявляются сверхпроводящие свойства. Во-вторых, сверхпроводник должен быть достаточно чистым и иметь регулярную структуру кристаллической решетки. Наличие дефектов или примесей может нарушить образование Куперовских пар и привести к потере свойств сверхпроводимости.

В настоящее время существуют различные материалы, которые обладают свойствами сверхпроводимости при разных температурах. Некоторые из них могут быть охлаждены при помощи жидкого гелия или жидкого азота, в то время как другие обладают более высокими критическими температурами и могут оставаться сверхпроводниками при комнатной температуре.

• Одним из наиболее известных сверхпроводников является свинец с критической температурой около 7 К.
• Сверхпроводимость также наблюдается в сплавах алюминия и циркония, называемых Nb-Ti, которые обладают критической температурой около 9 К.
• Очень высокие критические температуры можно достичь с использованием новых классов материалов, таких как купраты, где критические температуры могут быть выше даже комнатной температуры.

Теория БКШ и сверхпроводимость играют важную роль в современной науке и технологии. Они позволяют создавать эффективные электрические цепи, сильные магнитные поля, а также разрабатывать новые материалы и устройства, с применением сверхпроводящих свойств.