[Росдистант] Современные энергетические системы и электронные преобразователи (практические задания по вариантам)двигатели внутреннего сгорания 2 Ж, З, И Малогабаритные электрогенераторы 3 К, Л, М Сверхпроводники и их применение 3 Н, О, П Источники автономного питания 4 Р, С, Т Моя энергетическая система 6 У, Ф,
[Росдистант] Современные энергетические системы и электронные преобразователи (Практические задания) Росдистант ТГУдвигатели внутреннего сгорания 2 Ж, З, И Малогабаритные электрогенераторы 3 К, Л, М Сверхпроводники и их применение 3 Н, О, П Источники автономного питания 4 Р, С, Т Моя энергетическая система 6 У, Ф,
Почему сверхпроводники демонстрируют нулевое сопротивление и эффект Мейснера, и какие ограничения по температуре…Почему сверхпроводники демонстрируют нулевое сопротивление и эффект Мейснера, и какие ограничения по температуре и магнитному полю накладывают различные типы сверхпроводников на их применение?
Ответ на вопрос
Ниже — сжато, но с пояснениями.
Почему нулевое сопротивление
- Микроскопически: при сверхпроводящем переходе электроны образуют куперовские пары — связанное состояние с энергетическим разрывом \(\Delta\) между конденсатом и возбуждениями. Разрушение пары (или возбуждение квазичастиц) требует энергии \(\ge \Delta\), поэтому при температурах \(T\ll T_c\) и при слабых возмущениях рассеяние электронов, приводящее к диссипации, подавлено. Конденсат описывается макроскопической волновой функцией с фазовой когерентностью, что позволяет току течь как устойчивому супертоку без затухания.
- Формально: диссипативное поле появляется только при создании квазичастиц; поэтому при установившемся супертоке нет электрического поля, связанного с сопротивлением (идеализация при \(JH_c\) супервещ-во возвращается в нормальное состояние.
- Для типа II: две критические величины \(\,H_{c1}\) и \(\,H_{c2}\). При \(H_{c1}<HH_{c2}\) — нормальное состояние.
- Критерий по параметру Гинзбурга–Ландау:
\[
\kappa=\frac{\lambda}{\xi},\qquad
\begin{cases}
\kappa1/\sqrt{2} &\text{— тип II},
\end{cases}
\]
где \(\xi\) — когерентная длина.
Примеры и практические ограничения (приблизительно)
- Низкотемпературные (конвенциональные, BCS-подобные):
- \(T_c\) обычно \(\lesssim 20\ \mathrm{K}\) (например, Nb: \(T_c\approx 9.2\ \mathrm{K}\), Nb3Sn: \(T_c\approx 18\ \mathrm{K}\)).
- Поля: типично \(\,H_c\sim 10^{-2}\!-\!10^{-1}\ \mathrm{T}\) для типа I; тип II материалы (NbTi, Nb3Sn) имеют \(H_{c2}\) порядка \(10\!-\!30\ \mathrm{T}\).
- Требуют криогенной техники (жидкий гелий при \( \sim 4.2\ \mathrm{K}\) или более низких температурах для высоких полей).
- Высокотемпературные (купраты, железопоражённые):
- \(T_c\) до \(\sim 90\ \mathrm{K}\) (YBCO: \(T_c\approx 92\ \mathrm{K}\)); некоторые соединения достигают \(\sim 130\!-\!140\ \mathrm{K}\) при оптимальном давлении/составе.
- Очень большие верхние критические поля \(H_{c2}\) (десятки — сотни Тл), но сильная анизотропия и проблемы с гранулярностью/границами зерен ограничивают практический \(J_c\).
- Могут работать при температуре жидкого азота \(\,77\ \mathrm{K}\), что облегчает охлаждение.
- Сверхпроводящие гидриды при высоком давлении:
- \(T_c\) сообщались до \(\sim 200\!-\!260\ \mathrm{K}\), но требуют экстремальных давлений \(\sim 100\!-\!200\ \mathrm{GPa}\), что резко ограничивает практическое применение.
- Практические ограничения для применения:
- Нужно удерживать \(T<T_c\), магнитное поле локально меньше соответствующего критического значения (\(<H_c\) для типа I, \(<H_{c2}\) для типа II, и часто \(
Еще