БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (СВ)

Рис. 1. Зависимость сопротивления R от температуры Т для ртути (Hg) и для платины (Pt). Ртуть при Т = 4,12К переходит в сверхпроводящее состояние. R 0°с — значение R при 0 °С.

Рис. 3. Кривая намагничивания сверхпроводников 1-го рода.

Рис. 6. Скачок теплоёмкости сверхпроводника в точке перехода (Т к) в отсутствии внешнего магнитного поля (С си С н— теплоёмкость в сверхпроводящем и нормальном состояниях).

Сверхпроводники',вещества, у которых при охлаждении ниже определённой критической температуры Т к электрическое сопротивление падает до нуля, т. е. наблюдается сверхпроводимость. За исключением Cu, Ag, Au, Pt, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов, большая часть остальных металлических элементов является С. (см. Металлы ) . Элементы Si, Ge, Bi становятся С. при охлаждении под давлением. В сверхпроводящее состояние может переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Следует отметить, что существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются С. Значения Т к почти для всех известных С. лежат в диапазоне температур существования жидкого водорода и жидкого гелия (температура кипения водорода Т кип = 20,4 К).

Вторым важнейшим параметром, характеризующим свойства С., является величина критического магнитного поляН к, выше которого С. переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. С ростом температуры значение Н к монотонно падает и обращается в нуль при Т ³ Т к . Максимальное значение Н к = H 0, определённое из экспериментальных данных путём экстраполяции к нулю абсолютной температурной шкалы, для ряда С. приведено в таблице.

Самой высокой из известных (1974) Т к обладает соединение Nb 3Ge, приготовленное по специальной технологии.

Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Т к или Н к для известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирических закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими

Температура перехода сверхпроводящее состояние критическое магнитное поле для ряда металлов, полупроводников, сплавов и соединений

* Выше Т к: эти соединения полупроводники. 1 э = 79,6 а/м.

Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Т к или Н к для известных С. или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако в результате накопления экспериментального материала был установлен ряд эмпирических закономерностей, позволяющий определить направление поисков сплавов с высокими Т к и Н к. Важнейшие из этих закономерностей, известные под названием правил Маттиаса (установлены Б. Т. Маттиасом, США, 1955), сводятся к следующему: наибольшая Т к наблюдается у сплавов с числом 2 валентных электронов на атом ~3, 5, 7, причём для каждого z предпочтительней свой тип кристаллической решётки. Кроме того, Т к растет с увеличением объёма и падает с ростом массы атома. По своим магнитным свойствам все С. разделяются на две группы: С. 1-го рода, для которых проникновение магнитного поля Н в сверхпроводник цилиндрической формы, расположенный вдоль поля, происходит скачком одновременно с появлением электрического сопротивления при Н ³ Н к; С. 2-го рода, для которых проникновение продольного магнитного поля в аналогичных условиях начинается в значительно меньших полях (до появления сопротивления). Соответственно для С. 2-го рода различают нижнее критическое поле Н к1, при котором начинается проникновение магнитного поля, и верхнее критическое поле Н к2, при котором магнитное поле полностью проникает в объём С., а электрическое сопротивление приобретает значение, характерное для нормального состояния. (В таблице для С. 2-го рода приведены значения Н к2 .) С. 1-го рода являются все чистые сверхпроводящие металлы, за исключением V и Nb, и некоторые сплавы с низким содержанием одного компонента. Группа С. 2-го рода более многочисленна. Сюда относится большинство соединений с высокими Т к , таких как V 3Ga, Nb 3Sn, и сплавы с высоким содержанием легирующих примесей.

Среди С. 2-го рода выделяют группу жёстких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления. В жёстких С. движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Н к2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля. Следует отметить, что в идеальном С., полностью лишённом дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Н к1. Нижнее критическое поле Н к1 обычно во много раз меньше Н к2. Поэтому именно жёсткие С., у которых электрическое сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений. Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких С. является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям с самыми высокими значениями Т к и Н к типа V 2Ga, Nb 3Sn, Pbi 1,0Mo 5,1S 6. Изготовление сверхпроводящих магнитных систем из этих материалов представляет собой сложную технологическую задачу.