Руйнування надпровідності в сильному магнітному полі
Досить сильне магнітне підлогу е, створюване як струмом. протікає в надпровіднику. так і сторонніми джерелами, при даній температурі руйнує надпровідний стан речовини. Магнітне поле з напруженістю Hc. яке при даній температурі викликає перехід речовини з надпровідного стану в нормальний, називається критичним полем. Критична температура Тс і критична напруженість магнітного поля hс - взаємопов'язані величини. Якщо надпровідник помістити в магнітне поле, то кожній температурі відповідає певний критичний магнітне поле hс. При H> hс і температурі вище Tспроводнік переходить з надпровідного в нормальний стан.
Надпровідність зникає під дією наступних факторів:
- підвищення температури;
- дія досить сильного магнітного поля;
- досить велика щільність струму в зразку;
При певній напруженості Hk магнітного поля. створюваного як струмом, що протікає в надпровіднику, так і сторонніми джерелами, надпровідний стан провідника зникає. Критична температура Tk і критична напруженість магнітного поля Hk - взаємопов'язані величини. Якщо надпровідник помістити в магнітне поле, то кожній температурі Tk
Залежність критичної напруженості магнітного поля Hk від температури. Ho - критичне поле при T → 0, повністю руйнує надпровідність.
Матеріал в надпровідного стану подібний до ідеального діамагнетиком - магнітне поле виштовхується з нього (ефект Мейснера). При H> Hk магнітне поле проникає в глиб провідника, що призводить до зникнення надпровідності.
Першим промисловим застосуванням надпровідності було створення надпровідних магнітів з високими критичними полями. Доступні надпровідні магніти дозволили отримати до середини 1960-х років магнітні поля вище 100 кгс навіть в невеликих лабораторіях. Раніше створення таких полів за допомогою звичайних електромагнітів вимагало дуже великих кількостей електроенергії для підтримки електричного струму в обмотках і величезної кількості води для їх охолодження.
Наступне практичне застосування надпровідності відноситься до техніки чутливих електронних приладів. Експериментальні зразки приладів з контактом Джозефсона можуть виявляти напруги порядку 10-15 Вт. Магнітометри, здатні виявляти магнітні поля порядку 10-9 Гс, використовуються при вивченні магнітних матеріалів, а також в медичних Магнітокардіограф. Надзвичайно чутливі детектори варіацій сили тяжіння можуть застосовуватися в різних областях геофізики.
Техніка надпровідності і особливо контакти Джозефсона роблять все більший вплив на метрологію. За допомогою джозефсонівських контактів створений стандарт 1 B. Був розроблений також первинний термометр для кріогенної області, в якій різкі переходи в деяких речовинах використовуються для отримання реперних (постійних) точок температури. Нова техніка використовується в компараторах струму, для вимірювань радіочастотної потужності і коефіцієнта поглинання, а також для вимірювань частоти. Вона застосовується також у фундаментальних дослідженнях, таких, як вимір дрібних зарядів атомних частинок і перевірка теорії відносності.
Найбільш цікаві можливі промислові застосування надпровідності пов'язані з генеруванням, передачею та використанням електроенергії. Наприклад, по надпровідного кабелю діаметром кілька дюймів можна передавати стільки ж електроенергії, як і по величезній мережі ЛЕП, причому з дуже малими втратами або взагалі без них. Вартість виготовлення ізоляції та охолодження кріопроводники повинна компенсуватися ефективністю передачі енергії. З появою керамічних надпровідників, охолоджуються рідким азотом, передача електроенергії із застосуванням надпровідників стає економічно дуже привабливою.
Представлена фазову діаграму магнітне поле-абсолютна температура для олова (рис. 1). За умов, відповідних точці A, олово знаходиться в нормальному, несверхпроводящем стані. Якщо ж його охолодити до точки B, то воно стає надпровідним. Критичне магнітне поле - значення поля, вище якого надпровідник знаходиться в нормальному стані. Критичні поля зазвичай лежать в інтервалі від декількох десятків гаус до декількох сотень тисяч Гаусс в залежності від надпровідника і його металлофізіческого стану. Критичне поле даного надпровідника змінюється з температурою, зменшуючись при її підвищенні. При температурі переходу критичне поле дорівнює нулю, а при абсолютному нулі воно максимально (рис.1)
Фазова діаграма магнітне поле-абсолютна температура для олова
Поступове накопичення експериментальних даних про надпровідниках було перервано в 1933 році відкриттям, зробленим В. Мейснером і Р. Оксенфельдом. До цього проводилися випробування з порожніми провідниками, тому що ці провідники мали маленьку масу, і їх легше було охолодити. Мейснер і Оксенфельда проводили випробування на суцільних зразках з олова та свинцю, їх спостереження полягало в тому, що коли охолоджувався зразок з введенням в нього магнітним потоком, в момент настання надпровідного переходу цей потік миттєво виштовхувався з зразка. Магнітна індукція відразу зверталася в нуль, і при нульовому кінцевому магнітному полі підсумок обох операцій був абсолютно однаковим. Надпровідники виявилися ідеальними діамагнетиками: вони виштовхували з себе магнітне поле у всіх випадках.
При намагнічуванні полого надпровідника спочатку відбувається те ж саме, що і при намагнічуванні суцільного. На поверхні надпровідника з'являться незгасаючі замкнуті струми, які створять "противопол". Токи знищать магнітне поле в товщі надпровідника і в порожнині.
Якщо ж намагнітити зразок при температурі вище критичної, а потім, охолодивши, перевести його в надпровідний стан, то виникає "противопол" знищить магнітне поле в товщі надпровідника, але збереже його в порожнині. Це поле, захоплене ненадпровідний порожниною, перші дослідники взяли за поле всього надпровідника, але це помилка було розвіяно досвідом Мейснера і Оксенфельда.
Діамагнетизм надпровідників добре демонструється досвідом, який здійснив в 1945 році професор московського університету В. К. Аркадьєв. Він виготовив невелику свинцеву чашу і занурив її в рідкий гелій, а потім на тросі почав повільно опускати в неї постійний брусковий магніт. У міру наближення магніту до чаші натяг троса поступово слабшав, і нарешті, магніт вільно повис над чашею. Пояснюється цей ефект просто: під дією магніту в надпровідної чаші виникають "противотоки", що створюють "противопол". В результаті виштовхування магнітного поля з чаші виникає відштовхування чаші і магніту, яке і проявляється в тому, що магніт ширяє в повітрі над чашею.
А що відбувається поза надпровідника, при приміщенні його в магнітне поле? Якщо надпровідник має форму вузького циліндра або вузької пластини, що розташовуються уздовж силових ліній прикладеного поля, то внесення його в магнітне поле не спотворює помітним чином картину силових ліній цього поля.
Якщо ж провідник має іншу форму, то в його присутності розподіл силових ліній поля істотно змінюється. Наприклад, якщо зразок має вигляд кулі, то силові лінії розступаються перед кулею, згущуються в околиці його екватора і знову змикаються позаду кулі (рисунок 1).
Силові лінії магнітного поля
Число силових ліній, які перетинають майданчик постійного перетину, є міра напруженості поля. Згущення силових ліній близько екватора кулі говорить про те, що магнітне поле тут сильніше, ніж удалині від кулі.
Поки прикладена до надпровідники магнітне поле невелика, неоднорідність цього поля, викликана зразком, для надпровідника несуттєва. Але коли поле починає наближатися до критичного, на провіднику виникають чергуються нормальні і надпровідні області. Коли ж досягається критичне значення, провідник цілком переходить в нормальний стан.
Необхідна підтримка вбудованих фреймів.