Сверхпроводники на основе металлов и полуметаллов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

На тему

«Сверхпроводники на основе металлов и полуметаллов»

Содержание

Введение

Сверхпроводники и сверхпроводимость

Сверхпроводники на основе металлов и полуметаллов и их сравнение

Заключение

Список литературы

Введение

Еще двадцать, тридцать лет назад проблема сверхпроводимости вызывала большое количество научных споров, дискуссий, издавалось большое количество научной и научно-популярной литературы по этой проблеме. За прошедшее время ажиотаж вокруг явления немного уменьшился и связано это с тем, что рекордную высокотемпературную сверхпроводимость достичь так, и не удалось. Научные исследования и теоретические разработки показали, что достичь явления сверхпроводимости при комнатных температурах, на жаль, нельзя, но все же исследования продолжаются и понемногу температура сверхпроводящего перехода возрастает.

Высокотемпературная сверхпроводимость должна уменьшить потери при транспортировке и передаче токов, стать основой мощных электромагнитов для научных и медицинских исследований, создания новых систем лазеров.

Для своей работы я выбрал именно эту тему, потому что, несмотря на сказанное выше, по прежнему происходит широкое внедрение сверхпроводниковых материалов, это позволяет реализовывать полный ряд коммерчески востребованных изделий для электроэнергетики, электрифицированного транспорта, энергоемких отраслей экономики, электронной промышленности и медицины.

Широко ведутся сегодня работы, направленные на создание и исследование тонких пленок высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводниковых материалов, необходимых для малошумящих смесительных приемных устройств субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов волн, а также однофотонных детекторов пикосекундного временного разрешения ИК- и дальней ИК-областей, предназначенных соответственно для радиоастрономии, спутникового и наземного дистанционного контроля состояния озонового слоя и загрязнения верхних слоев атмосферы, а также для применения в волоконной оптике, электронике, спектроскопии быстропротекающих процессов и исследований свойств вещества.

Я считаю, что широкое внедрение и применение сверхпроводниковых материалов принесет энергетике и промышленности нашей страны существенные выгоды, в том числе уменьшение потерь при транспортировке электроэнергии, снижение массогабаритных характеристик различного оборудования, повышение надежности электрических систем и КПД электротехнического оборудования, улучшение параметров энергоснабжения потребителей.

Далее мы рассмотрим некоторые исторические моменты явления сверхпроводимости и выясним в чем отличие сверхпроводников на основе металлов от сверхпроводников на основе полуметаллов.

сверхпроводимость металл сверхпроводник

Сверхпроводники и сверхпроводимость

Сверхпроводники - это, вещества, в которых при понижении температуры до некоторой критической величины Т_с обнаруживается явление сверхпроводимости - их электрическое сопротивление полностью исчезает. При этом сверхпроводники ведут себя как идеальные диамагнетики с аномально большой магнитной восприимчивостью следствием чего является выталкивание магнитного поля из объема сверхпроводника (эффект Мейснера). При увеличении напряженности магнитного поля до некоторой критической величины происходит разрушение сверхпроводящего состояния.

В зависимости от характера проникновения магнитного поля в сверхпроводнике и динамики разрушения сверхпроводимости при увеличении напряженности магнитного поля различают сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода теряют свою сверхпроводимость в поле , когда поле скачком проникает в материал, и он во всем объеме переходит в нормальное состояние. Для сверхпроводников 2-го рода характерно постепенное проникновение магнитного поля в толщу образца на протяжении интервала от нижнего критического значения Я_с,1 до верхнего критического значения H_с,2, при котором происходит полное разрушение сверхпроводящего состояния.

В случае протекания электрического тока через сверхпроводники вокруг них возникает собственное магнитное поле. Существует максимальная критическая величина плотности тока J_c, при которой это поле разрушает сверхпроводящее состояние. При нахождении сверхпроводников с током во внешнем магнитном поле величина J_c может изменяться.

Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунд Врублески и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.

В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Онес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий. Позднее ему удалось довести его температуру до 1 Кельвина. Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойств металлов, в частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и совсем перестанут проводить ток. Эксперименты, проводимые Камерлингом-Оннесем со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о плавном спадании сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года он неожиданно обнаружил, что при 3 Кельвинах (около ?270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий скачок сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.

Нулевое сопротивление -- не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга -- Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа и сверхпроводники II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.

Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в 1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb₃Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/смІ.

В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя.

В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных.

В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La -- Sr -- Cu -- O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 К.

В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y -- Ba -- Cu -- O). По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg -- Ba -- Ca -- Cu -- O(F), открытому в 2003 году, критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.

Сверхпроводники на основе металлов и полуметаллов и их сравнение

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 25 простых веществ (главным образом металлов), большого числа сплавов, некоторых полимеров.

Метамллы (от лат. metallum -- шахта, рудник) -- группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

ь 6 элементов в группе щелочных металлов (Литий, Натрий, Калий, Рубидий, Цезий, Франций),

ь 6 в группе щёлочноземельных металлов (некоторые из них - Кальций, Стронций, Барий, Радий),

ь 38 в группе переходных металлов (вот некоторые из них - Титан, Железо, Платина, Медь, Цинк, Золото, Серебро, Палладий, Ртуть, Никель, Кобальт, Вольфрам),

ь 11 в группе лёгких металлов (вот некоторые из них - Алюминий, Свинец, Олово),

ь 7 в группе полуметаллов,

ь 14 в группе лантаноиды + лантан,

ь 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,

ь вне определённых групп Бериллий и Магний.

Вопрос об отнесении того или иного элемента к металлам или неметаллам следует, по-видимому, решать на основании рассмотрения не только физических свойств простого вещества но и его химических свойств. Иногда для элементов, лежащих на границе между металлами и неметаллами, применяют термин "полуметаллы", хотя этот термин в химии теперь не рекомендуется.

Все чистые металлы, кроме Nb, Тс, V, являются сверхпроводниками I рода. Для Li, Cr, Si, Ce, Pr, Nd, Eu, Yb сверхпроводящее состояние обнаружено только в тонких слоях. As, Ba, Bi, Те, Sb, Se, P и др. становятся сверхпроводниками при охлаждении под давлением.

Низкие значения Н_к у сверхпроводников I рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию.

Большинство металлов -- сверхпроводники I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К.

Поэтому большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается.

Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях.

Среди них такие полупроводники как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др.

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход.

Значения критической температуры Т_к и критической напряженности магнитного поля Н_к у них малы (максимальное значение Т_к и Н_к в этой группе материалов имеет свинец: Т_к=7,2 К, Н_к=65кА/м, а минимальное -- вольфрам, у которого величина Т_к = 0,01 К, а Н_к =0,1 кА/м), что затрудняет их практическое применение.

Большое число сплавов металлов относится к сверхпроводникам 2-го рода. Среди сплавов типа твердых растворов, образованных металлами-соседями по периодической системе, наиболее высокие Т_с проявляются у сплавов Мо-Тс и Mo-Re (Т_c=11-14К) и сплавов Nb-Ti и Nb-Zr, эти сплавы широко используются в технике для изготовления сверхпроводящих магнитов-соленоидов.

В настоящее время все вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние условно разделяют на две большие группы: низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники.

К низкотемпературным сверхпроводникам относят сверхпроводники, у которых Т_к 25 К. К таким сверхпроводникам относятся некоторые металлы и сплавы, ряд полупроводников и интерметаллических соединений типа NbN, TaC.

В 1986 были открыты высокотемпературные сверхпроводники, у которых Т_к выше температуры жидкого азота, равной 77 К. К ним относятся сложные соединения -- керамика на основе оксида меди (например, Tl₂Ca₂Ba₂Cu₃O₁₀ с Т_к=127 К) и другие оксидные сверхпроводники. Оксидные высокотемпературные сверхпроводники являются соединениями с ионно-ковалентной связью и дефектной по кислороду перовскитно-подобной кристаллической структурой с упорядоченным расположением кислородных вакансий.

Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Все соединения кристаллизуются в идеальном или нарушенном структурном типе перовскита. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Все высокотемпературные оксидные сверхпроводники-монокристаллы с резко выраженной анизотропией электрических и магнитных свойств, по величине удельного электрического сопротивления относятся к полуметаллам.

Полуметамллы (металлоиды, амфотерные металлы) -- химические элементы, расположенные в периодической системе на границе между металлами и неметаллами. Для них характерно образование ковалентной кристаллической решётки и наличие металлической проводимости.

В физике твёрдого тела полуметаллами называются различные вещества, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками.

К полуметаллам относят Bi, Sb, Po, иногда -- As, Te, которые по своим химическим свойствам являются неметаллами, но по типу проводимости относятся к проводникам, а также Sn, имеющее полупроводниковую форму, и аллотропную модификацию углерода -- графит.

В отличие от полупроводников полуметаллы обладают электрической проводимостью при абсолютном нуле температуры, и в отличие от металлов с повышением температуры их проводимость возрастает.

Характерной особенностью полуметаллов является слабое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, что приводит, с одной стороны, к тому, что полуметаллы остаются проводниками электрического тока вплоть до абсолютного нуля температуры, а с другой стороны -- с повышением температуры число носителей тока (электронов и дырок) возрастает, но всё-таки остаётся небольшим, достигая концентрации 10¹⁸--10²⁰ см^?3, или 10^?3 на атом.

Высокотемпературные оксидные сверхпроводники синтезируют в виде монокристаллов, объемных изделий, пленок или проволоки. Основные методы получения это методы монокристаллов, золь-гель, криохимическая, керамическая. или стекольная (для беспористых сверхпроводников) технология.

Заключение

В данной работе были отражены исторические моменты, например как открытие сверхпроводимости, обнаружение сверхпроводимых свойств у конкретных металлов и полуметаллов. Рассмотрели явление сверхпроводимости, осветили вопрос о сверхпроводимости первого и второго рода. Узнали, какие металлы и полуметаллы относятся к этим типам и в чем их существенное отличие.

При написании данного реферата я ознакомился с некоторой научной и учебной литературой. Также пользовался ресурсами Интернет. Как вспомогательный материал использовал Периодическую таблицу Менделеева и учебники по химии.

В результате проделанной работы, я более подробно узнал, что такое сверхпроводники и сверхпроводимость. К каким типам сверхпроводников относятся сверхпроводники на основе металлов и полуметаллов. Узнал о низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводниках, в чем их отличие и где они применяются.

Список литературы

1. Воесовский С. В., Изюмов Ю.А., Курмаев Э. 3., Сверхпроводимость переходных металлов, их сплавов и соединений, М., 1977.

2. Электронная структура и физико-химические свойства высокотемпературных сверхпроводников, М., 1990; Bednorz J.G., Muller K.A., "Z. Physik", 1986, Bd 64, № 2, S. 189-93; Novel superconductivity, ed. by P. L. Stuart, S. A. Wolf, V.Z. Kresin, N.Y., 1987; Putilin S. N. [a. o.], "Nature", 1993. v. 362, p. 226-28.

3. Кресин В.З. Сверхпроводимость и сверхтекучесть.М.:Наука,1978.

4. Яворский Б.М., ДетлафА.А. Справочник по физике.М.:Наука,1985,с.417.

5. П. Де Жен. Сверхпроводимость металлов и сплавов. М., 1968.

6. Тинкхам М. Введение в сверхпроводимость. М., 1980.

Размещено на Allbest.ru