Сверхпроводимость материалов

МАТЕРИЯ
ВЕЩЕСТВО
ПОЛЕ

ВЕЩЕСТВО
АТОМЫ
МОЛЕКУЛЫ
СОЕДИНЕНИЯ
ОБЪЕКТЫ
ВЕЩЕСТВО обладает физическими и химическими свойствами

Классическое вещество может находиться в одном из нескольких агрегатных состояний: газообразном, жидком, твёрдом кристаллическом, твердом аморфном или в виде жидкого кристалла.
Кроме того, выделяют высокоионизованное состояние вещества (чаще газообразного, но, в широком смысле, любого агрегатного состояния), называемое плазмой.
Агрегатные состояния вещества

Ток и электро-магнитное поле
Электри́ческий ток или электрото́к —
направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряд.
Такими носителями могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях — электроны, в полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость).
Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поле.
Электрический ток имеет следующие проявления:
- нагревание проводников (не происходит в сверхпроводниках);
- изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
- создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).
Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности свет и все другие электромагнитные волны.

Электропрово́дность
Электропрово́дность (электри́ческая проводи́мость, проводимость) — способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля.
В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс (русское обозначение: См; международное: S), определяемый как 1 См = 1 Ом−1, то есть как электрическая проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом
Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток. Ток проводимости практически не зависит от частоты приложенного поля (до определённых пределов, в области низких частот).
Электропроводность среды (вещества) связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в этой среде, достаточно свободно перемещаться в ней. Величина электропроводности и её механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура.

Проводники, полупроводники диэлектрики

ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
Твердые тела со стабильной кристаллической решеткой – проводники
Твердые аморфные тела являются - диэлектриками.

ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
Полупроводни́к — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.

Жидкости и газы
Неионизированные жидкости и газы – диэлектрики.

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
Полупроводни́к — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.
НЕ НАДО ПУТАТЬ….
Явление сверхпроводимости металлов – практического отсутствия электросопротивления при протекании электрического тока — позволяет значительно увеличить эффективность передачи электроэнергии, особенно на значительные расстояния.
Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.

При значительной номенклатуре веществ, пригодных для сверхпроводимости – на сегодняшний день их насчитывается несколько десятков – имеется весьма ограниченный круг газов, способных активизировать данный процесс.
Первые опыты по сверхпроводимости были проведены ещё в 1893 году физиком Камерлинг-Оннесом, причём голландец в своих опытах для охлаждения проводников использовал жидкий гелий. Использование столь экзотического газа было связано с тем, что сам автор первоначально применил жидкий гелий в качестве средства для изучения зависимости электросопротивления от температуры. В ходе экспериментов выяснилось, что сверхнизкие температуры вообще обеспечивают нулевое электросопротивление ртути, олова, свинца и ряда других металлов.
По мере изучения процессов сверхпроводимости было установлено, что применение жидкого гелия не очень удобно, поскольку этот газ в земных условиях в сколько-нибудь заметных количествах получать довольно сложно. Вдобавок и сама сверхпроводимость обеспечивалась при температурах лишь около -2700С. Таким образом, для производства и последующего сжижения гелия требовались гигантские энергозатраты, несоизмеримые с последующим снижением электрических потерь в цепи.
Неустанная работа специалистов в области криогеники привела к тому, что уже в конце ХХ века были открыты так называемое высокотемпературные сверхпроводники, обеспечивающие необходимый эффект при гораздо более высоких температурах. Например, некоторые сплавы на основе ниобия, германия, меди, и даже ряда оксиднокерамических веществ проявили свойство сверхпроводимости уже при -1960С. Поскольку в таком состоянии могут находиться уже значительно больше веществ, то и внедрение высокотемпературных проводников в практику оказалось значительно более доступным. На первое место в ряду охлаждающих сред вышел жидкий азот, температура сжижения которого составляет всего -195,750С.
История

картинки

Сво йства
Нулевое электрическое сопротивление (Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю.)
Сверхпроводники в высокочастотном поле (Строго говоря, утверждение о том, что сопротивление сверхпроводников равно нулю, справедливо только для постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника отлично от нуля и растёт с увеличением частоты поля.)
Фазовый переход в сверхпроводящее состояние (Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Тс — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2) у низкотемпературных сверхпроводников (Тс ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников.)
Эффект Мейснера (Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов вблизи поверхности сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Нc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем.
Эффект Литтла — Паркса (температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины магнитного потока)
Изотопический эффект (температуры Тс обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего элемента. Как следствие моноизотопные препараты несколько отличаются по критическим температурам от природной смеси и от друг друга)
Но есть и другой способ получить сверхпроводимость в материале — сверхвысокое давление. При давлении свыше одного миллиона атмосфер многие вещества (в основном гидриды различных элементов) демонстрировали сверхпроводимость при температурах до минус 23 градусов Цельсия. А следовую сверхпроводимость физики обнаруживали даже при минус 13 градусах.

критерии для классификации сверхпроводников
По их отклику на магнитное поле: они могут быть I рода, что значит, что они имеют единственное значение магнитного поля, Hc, выше которого они теряют сверхпроводимость. Или II рода, подразумевающего наличие двух критических значений магнитного поля, Hc1 и Hc2,. При приложении магнитного поля в этом диапазоне происходит частичное его проникновение в сверхпроводник с сохранением сверхпроводящих свойств.
По теории, объясняющей их (БКШ или нет).
По их критической температуре: низкотемпературные, если Tc < 77 K (ниже температуры кипения азота), и высокотемпературные.
По материалу: чистый химический элемент (такие как свинец или ртуть, однако не все элементы в чистом виде достигают сверхпроводящего состояния), сплавы (например, NbTi), керамика (например, YBCO, MgB2), сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники, графен[9] и т. п.
Молекулы органических веществ, содержащие {\displaystyle \pi }\pi — электронную систему, являются миниатюрными сверхпроводниками, в которых {\displaystyle \pi }\pi — электроны образуют связанные электронные пары[13].