Презентация по физике на тему "Сверхпроводники I и II рода" (10 класс)

Слайд #1

Сверхпроводники I и II рода

Слайд #2

Трое физиков получили Нобелевскую премию за работы по сверхтекучести и сверхпроводимости
Нобелевская премия
Лауреатами стали трое ученых:
Профессор Алексей Абрикосов (родился в 1928 году), ранее работал в Институте Физических Проблем в Москве, сейчас - в Аргонской национальной лаборатории (штат Иллинойс, США). Гражданин РФ и США.
Профессор, доктор физико-математических наук, академик Виталий Гинзбург (родился в 1916 году), работал в МГУ и Физическом институте академии наук им. П.Н. Лебедева (Москва). Гражданин РФ.
Профессор Энтони Дж. Леггетт (родился в 1938 году), работал в Оксфордском и Суссексом университетах (Великобритания), сейчас работает в Иллинойском университете (штат Иллинойс, США). Гражданин Великобритании и США.
2

Слайд #3

Алексей Абрикосов
Виталий Гинзбург
Энтони Дж. Леггетт
Нобелевские лауреаты
3

Слайд #4

Что такое сверх-
проводимость?
Сверхпроводимость
Этот феномен открыл датский физик Камерлинг-Оннесом в 1911 году, за что в 1913-м получил Нобелевскую премию. Датчанин обнаружил: если охладить металл до очень низкой температуры (всего лишь несколько градусов выше так называемого абсолютного нуля, то есть -273° по Цельсию), он проводит электрический ток без сопротивления.
4

Слайд #5

Практическое применение явлению придумали сразу. Доставка в наши дома электричества всегда происходит с потерями, так как провода всегда немного нагреваются из-за сопротивления. В сверхпроводящих электросетях энергия не расходовалась бы на бесполезный нагрев. Экономия в масштабах человечества была бы огромна, если удалось создать материал, существующий в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Пока рекордсменом является сложный окисел ртути, таллия, кальция, бария и меди, в котором электрическое сопротивление исчезает при -99° по Цельсию.
Пока ученые пытаются изобрести материал для ЛЭП XXI века, сверхпроводники стали применяться в физических приборах и аппаратах медицинской диагностики, в том числе установках для магнитно-резонансной томографии.

Практическое применение
5

Слайд #6

Опыты, проведенные со сверхпроводниками, продемонстрировали удивительные вещи. Электрический ток, однажды "запущенный" в сверхпроводник, продолжал течь и после того, как было отключено напряжение. Магнитик, падающий на сверхпроводящую пластину, повисал в воздухе: его поле возбуждало в металле кольцевой ток, магнитное поле которого отталкивало магнитик. Причем ток мог продолжать течь, а магнит висеть практически вечно, до тех пор, пока проводник охлажден до сверхпроводящего состояния.

Опыты
6

Слайд #7

Сверхпроводниками первого рода являются чистые металлы, всего их насчитывается более 20. Среди них нет металлов, которые при комнатной температуре являются хорошими проводниками (серебро, медь, золото), а, наоборот, сверхпроводниками являются металлы, обладающие сравнительно плохой проводимостью при комнатной температуре (ртуть, свинец, титан и др.).
Материалы с ξ > λ называют сверхпроводниками I рода. Магнитная длина λ характеризует глубину проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Длина когерентности ξ дает масштаб расстояний, на которых электроны сверхпроводника ”чувствуют” друг друга и в результате движутся когерентно.
В СП I рода энергия NS-границы положительна, существование границ – невыгодно. Пример – промежуточное состояние.
К сверхпроводникам I рода относятся, как правило, чистые металлы. Для них типичны λ ∼ 300 Å и ξ ∼ 104 Å.
Сверхпроводники I рода
7

Слайд #8

Сверхпроводниками второго рода являются химические соединения и сплавы, причем не обязательно это должны быть соединения или сплавы металлов, в чистом виде являющиеся сверхпроводниками первого рода. Например, соединения MoN, WC, CuS являются сверхпроводниками второго рода, хотя Mo, W, Сu и тем более N, С и S не являются сверхпроводниками. Число сверхпроводников второго рода составляет несколько сотен и продолжает увеличиваться.
Материалы с ξ < λ называют сверхпроводниками II рода. Магнитная длина λ характеризует глубину проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Длина когерентности ξ дает масштаб расстояний, на которых электроны сверхпроводника ”чувствуют” друг друга и в результате движутся когерентно.
В СП II рода энергия NS-границы отрицательна, существование границ – выгодно. Пример – смешанное состояние.
К сверхпроводникам II рода принадлежат грязные металлы, сплавы. Для них характерны ξ = 50 Å и λ ∼ 103 Å. В сверхпроводнике II рода самопроизвольно зарождаются вихревые токи.

Сверхпроводники II рода
8

Слайд #9

Критические температуры для некоторых сверхпроводников первого и второго рода
9

Слайд #10

Деление веществ по их сверхпроводящим свойствам не является абсолютным. Любой сверхпроводник первого рода можно превратить в сверхпроводник второго рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тк= 3,7 °К, а если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастает до 9 °К, а величина критической напряженности увеличивается в 70 раз. Введение в чистый металл посторонних атомов, пустых узлов, атомов в междоузлиях и других дефектов с концентрацией в несколько процентов тоже превращает сверхпроводник первого рода в сверхпроводник второго рода.
Критическая температура сверхпроводника Тк зависит от его изотопного состава: при изменении изотопного состава сверхпроводника его критическая температура изменяется обратно пропорционально корню квадратному из среднего массового числа. Но также изменяется в зависимости от изотопного состава и температура Дебая, поэтому между температурами Тк и Θ для сверхпроводников разного изотопного состава существует зависимость
Т к 𝜃 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
которая прямо говорит о том, что сверхпроводимость связана со взаимодействием сверхпроводящих электронов с колебаниями кристаллической решетки.
Теплопроводность вещества при переходе его в сверхпроводящее состояние заметно уменьшается. Это можно объяснить тем, что электроны проводимости при этом переходят в особое состояние, в котором они перестают участвовать в теплопроводности.
Переход СП I рода в СП II рода
10

Слайд #11

Каждый вихрь несет единственный квант магнитного потока, предсказанный еще Фрицем Лондоном. Сердцевина вихря представляет собой трубку радиусом порядка длины когерентности, и вещество в ней находится не в сверхпроводящем, а в нормальном состоянии. Трубку охватывают вихревые токи, текущие внутри слоя толщиной примерно с лондоновскую глубину проникновения, которые экранируют от магнитного поля сверхпроводящие зоны между вихрями. В результате возникает смешанное состояние (термин Абрикосова), в котором сверхпроводник пронизан вкраплениями нормальной фазы.
Плотность вихрей увеличивается по мере нарастания магнитного поля. Если оно лишь немного превосходит Hc1, вихри выстраиваются далеко друг от друга и почти не взаимодействуют между собой. При увеличении поля токи соседних вихрей перекрываются, и между вихрями возникают силы отталкивания. Из-за этого вихри формируют нечто вроде кристаллической решетки, которая в однородных сверхпроводниках состоит из треугольных ячеек. При возрастании поля ячейки стягиваются, и по достижении Нс2 нормальные сердцевины соседних вихрей сливаются друг с другом.
При заданном потоке на бесконечности N области будут иметь форму тонких цилиндрических трубочек, через которые и проходят силовые линии магнитного поля. По периферии такой трубочки течет незатухающий сверхпроводящий ток. Такую вот трубочку и называют вихрем. Абрикосовским вихрем, поскольку Абрикосов был первый, кто догадался о существовании таких вихрей в сверхпроводниках II рода (и вообще понял, что в природе существует два типа сверхпроводников).
Вихри Абрикосова
11

Слайд #12

СПАСИБО за внимание