Физика. Строение и физические свойства вещества. Барсуков В.И - 42 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

Рис. 5.19
Квантовомеханическая теория явления сверхпроводимости рассматривает его как сверхтекучесть электронов в ме-
талле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспре-
пятственно – без «трения» об узлы кристаллической решётки. Основная особенность сверхпроводников заключается в
том, что в них возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных
пар. Причиной этого притяжения является дополнительное к кулоновскому отталкиванию
взаимодействие между электронами, осуществляемое под воздействием кристаллической
решётки и приводящее к притяжению электронов. Возникновение этого притяжения пока-
зано на рис. 5.19. Электрон проводимости
1
e притягивает к себе ион
I
кристаллической
решётки, смещая его из положения равновесия. При этом изменяется электрическое поле в
кристалле – ион
I
создаёт электрическое поле, действующее на электроны проводимости, в
том числе и на электрон
2
e . Взаимодействие электронов
1
e и
2
e осуществляется с помощью
кристаллической решётки. Смещение иона под действием электронов приводит к тому, что
электрон оказывается окружённым «облаком» положительного заряда, превышающего собственный отрицательный за-
ряд электрона. Электрон вместе с этим «облаком» имеет суммарный положительный заряд и притягивается к другому
электрону. Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решётки, перево-
дит её в возбуждённое состояние. При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты –
фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электро-
нов фононами. Электроны, образующие пару, находятся друг от друга на расстояниях порядка
4
10 периодов кристалличе-
ской решётки. Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив, простирающийся на
громадные, по атомным масштабам, расстояния.
Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является возможность об-
мена энергией между электронами и решёткой малыми порциями, меньшими, чем энергия связи пары электронов. Это
означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решётки не изменяется энергия электронов и веще-
ство ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантовомеханическое рассмотрение показы-
вает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и
означает отсутствие электрического сопротивления.
На основе теории сверхпроводимости английский физик Б. Джозефсон в 1962 г. предсказал эффект, названный его име-
нем.
Эффект Джозефсона – протекание сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой диэлектрика (плёнка оксида металла
толщиной
≈ 1 нм), разделяющий два сверхпроводника. Электроны проводимости прохо-
дят сквозь диэлектрик благодаря туннельному эффекту. Если ток через контакт Джозеф-
сона не превышает некоторое критическое значение, то падения напряжения на нём нет,
если превышает – возникает падение напряжения
U и контакт излучает электромагнит-
ные волны. Частота
ν
излучения связана с U на контакте соотношением heU /2
=
ν
.
Возникновение излучения объясняется тем, что электронные пары, проходя сквозь кон-
такт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыточную
энергию. Возвращаясь в основное состояние, они излучают квант энергии
eUh 2
=
ν
.
Эффект Джозефсона используется для измерения очень слабых магнитных полей (до
10
–18
Тл), токов (до 10
–10
А) и напряжений (до10
–15
В), а также для создания быстродейст-
вующих элементов логических устройств ЭВМ и усилителей.
Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении
по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи
с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применя-
ются особые
сверхпроводники II рода – некоторые сплавы, тонкие сверхпроводящие плёнки. В такие сверхпроводники
магнитные поля с напряжённостью большей чем
c
H проникают в вещество в виде нитей, пронизывающих образец. Ве-
щество между нитями оказывается сверхпроводящим, и сильные токи могут привести к созданию сверхсильных магнит-
ных полей.
Широкое распространение имеют магниты, основанные на сверхпроводящих соленоидах.
5.9. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример 1. Вычислить максимальную энергию
F
ε
(энергию Ферми), которую могут иметь свободные электроны в
металле (медь) при температуре
К0=T . Принять, что на каждый атом меди приходится по одному валентному электро-
ну.
Решение. Максимальная энергия
F
ε , которую могут иметь электроны в металле при
К0=T
, связана с концентра-
цией свободных электронов соотношением
,2/)3(
3/222
mn
F
π=ε h
(1)
где h – постоянная Планка; m – масса электрона.
Концентрация свободных электронов по условию задачи равна концентрации атомов, которая может быть найдена
по формуле
,/ MNn
A
ρ
=
(2)
где ρ – плотность меди; N
A
– постоянная Авогадро; M – молярная масса.
Рис. 5.18
B = 0
B ≠ 0

Страницы