Физические эффекты в измерениях. Сверхпроводимость

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа по теме:

Физические эффекты в измерениях. Сверхпроводимость

Постановка вопроса

Явление сверхпроводимости состоит в том, что при низких температурах электрическое сопротивление ряда чистых металлов и сплавов становится равным нулю и электрический ток течет без всяких проблем.

Температуры Ткр, при которых вещества переходят в сверхпроводящее состояние, называются критическими температурами перехода. Они очень низкие - близки к абсолютному нулю (- 273 ). Для охлаждения вещества до такой температуры его помещают в особую среду - жидкий гелий. При нормальном давлении гелий становится жидким при температуре 4,2 К и не замерзает при самых низких температурах - вплоть до абсолютного нуля.

Охлаждение до температур жидкого гелия - довольно сложная задача.

В лабораториях всего мира физики и химики ищут вещества, которые будут сверхпроводящими при не слишком низких температурах. В этом направлении уже достигнут значительный прогресс - сегодняшние «рекордсмены» достигают Ткр = 40…60 К.

И, тем не менее, уже сейчас сверхпроводимость «работает». В ряде случаев возможности сверхпроводимости столь уникальны, что приходится мириться с затратами на охлаждение. Так, сверхпроводящие магниты широко используются для создания сильных магнитных полей (в несколько десятков Тесла); сверхпроводимость же применяют для измерения очень слабых магнитных полей (с точностью до 10- 18 Тл). На основе сверхпроводимости действуют чувствительнейшие вольтметры, детекторы и усилители электромагнитного излучения. Существует целая область электроники - криоэлектроника (греч. «ксйпу» - «криос» - холод), основанная на использовании явления сверхпроводимости.

Прежде всего, познакомимся с одним красивым физическим явлением, лежащем в основе устройства многих сверхпроводящих приборов.

Квантование магнитного потока

Как известно из квантовой механики, в микромире существуют свои особые законы. Например, там многие физические величины могут принимать только определенные дискретные значения. Другими словами - величины квантуются. В больших «коллективах» частиц - макроскопических телах - квантовые эффекты обычно перестают быть заметными, поскольку из-за хаотического теплового движения происходит «усреднение» величины по большому числу ее различных значений и квантовые скачки «размываются».

А что будет, если тело охладить до очень низких температур?

Оказывается, в этом случае квантование может проявляться и в макроскопическом масштабе! Пример тому дает явление - квантование магнитного потока в сверхпроводнике - эффект Мейснера (выталкивание сверхпроводником, помещенного в магнитное поле, магнитного потока).

Из курса общей физики известно, что магнитный поток определяется как

Ф = В х S,

В - модуль вектора магнитной индукции;

S - площадь поверхности, охватываемая контуром.

Однако магнитный поток, создаваемый сверхпроводником, текущим, например, по кольцу, может принимать только определенные дискретные значения. Рассмотрим упрощенные объяснения.

Движение сверхпроводящих электронов в кольце (рис. 1) похоже на движение электронов в вакууме: электроны движутся по гигантским орбитам радиуса R без всяких столкновений. Поэтому естественно предположить, что их движение подчиняется тем же правилам квантования, что и движение электронов в атоме. Согласно постулату Бора, в атоме только определенные орбиты электронов являются стационарными, устойчивыми. Они определяются с помощью следующего правила квантования: произведение модуля импульса электрона mv на радиус орбиты R (величина mvR называется моментом импульса электрона) может принимать только дискретные значения:

mvR = nЋ.

Рис. 1

mvR = nЋ.

Здесь n - целое положительное число;

Ћ = 1.05 10-34 Джс - постоянная Планка.

Найдем величину кванта магнитного потока. магнитный поток Ф через кольцо связан с током I соотношением

Ф = LI,

где L - индуктивность кольца.

Ток можно выразить через скорость электронов v и их число N. За время t = 2рR/v электроны совершают один оборот; следовательно, за это время через любое поперечное сечение кольца пройдут все электроны, переносящие заряд q = eN. Поэтому ток в кольце:

I = = .

Еще одно соотношение, связывающее величины v, N, I, можно получить приравняв кинетическую энергию сверхпроводящих электронов к энергии кольца с током:

N = LI2/

Теперь выражение для магнитного потока можно представить в виде:

Ф = LI = = N = mvR.

Откуда следует, что магнитный поток пропорционален моменту импульса электронов. Но по постулату Бора mvR = nЋ и

Квант магнитного потока, конечно, очень малая величина (10-15 Вб), но тем не менее современные приборы позволяют наблюдать квантование магнитного потока. Такой опыт был проделан американцами Дивером и Фейрбенком в 1961 году, только вместо кольца они использовали полую сверхпроводящую трубку, по которой циркулировали круговые сверхпроводящие токи. Оказалось, что в сверхпроводящем состоянии электроны объединяются в пары, имеющих заряд 2е, который и создает сверхпроводящий ток. Поэтому «правильное» значение кванта магнитного потока:

Ф0 = 2,07*10-15 Вб.

Заметим, что в действительности сверхпроводимость - сложное квантовое явление. Оно объясняется термодинамической теорией сверхпроводимости, в создание которой решающий вклад внесли советские академики Л.Д. Ландау и В.Л. Гинзбург. Термодинамическая теория сверхпроводимости позволила формально объяснить основные экспериментальные данные, но не могла вскрыть природу явления сверхпроводимости. Это было сделано в конце 1960-х гг. в квантовой теории электрических свойств твердых тел. Современная теория сверхпроводимости разработана американцами Бардиным, Купером и Шлиффером, а также академиком Н.Н. Боголюбовым.

Эффект Джозефсона

Разберем еще одно сверхпроводящее квантовое явление, которое послужило основой для создания целого ряда уникальных измерительных приборов. Речь пойдет об эффекте Джозефсона, открытом в 1962 году, за которое, англичанину Джозефсону, была присуждена Нобелевская премия.

Представим себе, что на стеклянную пластину (подложку) нанесена пленка сверхпроводника (обычно ее получают, напыляя металл в вакууме). Затем ее окислили, создав на поверхности слой диэлектрика (окисла) толщиной в несколько ангстрем (1A = 10-10 м). И снова покрыли пленкой сверхпроводника. В результате получился так называемый сэндвич. В таких сэндвичах и наблюдается эффект Джозефсона (для удобства измерений обычно сэндвич делают в виде креста, как показано на рис. 2).

Рис. 2

Рассмотрим случай, когда металлические пленки находятся в нормальном (не сверхпроводящем состоянии). Могут ли электроны из одной металлической пленки (рис. 3, а) переходить в другую?

Рис. 3

Казалось бы, нет - им мешает слой диэлектрика. Для того, чтобы выйти из металла, электрон должен обладать энергией, большей, чем работа выхода, а при низких температурах электронов с такой энергией практически нет. На рис. 3, б приведен график зависимости потенциальной энергии электрона W от координаты х (ось Х перпендикулярна к плоскости сэндвича). В металле электрон движется свободно, и его потенциальная энергия равна нулю. Для выхода в диэлектрик необходимо совершить работу выхода WВ, которая больше, чем кинетическая, а значит и полная энергия электрона WЭ. поэтому говорят, что электроны в металлических пленках разделяет потенциальный барьер, высота которого равна WВ - WЭ.

Если бы электроны подчинялись законам классической механики, то такой барьер для них был бы непреодолим. С точки зрения квантовой механики: электрон как бы «роет под горкой туннель» и проникает, даже если его энергии не хватает, чтобы взобраться на эту «горку» (барьер). Туннельный эффект объясняется волновыми свойствами микрочастиц - с некоторой вероятностью электроны могут проникать через диэлектрик из одной металлической пленки в другую. Эта вероятность тем больше, чем меньше высота WВ - WЭ барьера и чем меньше его ширина а (соответствует ширине диэлектрика на рис. 3, а).

Итак, тонкая пленка диэлектрика оказывается проницаемой для электронов - через нее может течь так называемый туннельный ток. Однако суммарный туннельный ток равен нулю: сколько электронов переходит из нижней металлической пленки в верхнюю, столько же в среднем переходит обратно - из верхней в нижнюю пленку.

Как сделать туннельный ток отличным от нуля? Для этого надо нарушить симметрию, например - присоединить металлические пленки к источнику тока с напряжением U (рис. 4, а). тогда пленки будут играть роль обкладок конденсатора, а в слое диэлектрика возникнет электрическое поле с напряженностью Е = U/а. работа по перемещению заряда е на расстояние х вдоль направления поля равна А = Fx = eEx = eUx/a, и поэтому график потенциальной энергии электрона приобретает вид, показанный на рис. 4, б. Как видно, электронам из верхней пленки (х а) преодолеть барьер легче, чем электронам из нижней пленки (ха), которым надо подскочить на более высокий уровень. В результате даже при малых напряжениях источника возникает туннельный ток.

Туннельные контакты из нормальных металлов используются в некоторых приборах.

Теперь представим себе, что металлические пленки 1, разделенные тонким слоем диэлектрика 2, находятся в сверхпроводящем состоянии. оказывается, сверхпроводимость приводит к совсем неожиданным результатам!

Как уже говорилось, электроны из верхней пленки имеют избыточную энергию еU по сравнению с электронами нижней пленки. Эту энергию они приобретают, ускоряясь электрическим полем в слое диэлектрика, через который туннелируют. Оказавшись в нижней пленке, они должны сбросить лишнюю энергию и перейти в равновесное состояние. Если бы пленка находилась в нормальном состоянии, то осуществить это было бы легко - достаточно нескольких столкновений с кристаллической решеткой металла и лишняя энергия электронов в конечном счете перешла бы в тепло. Но пленка находится в сверхпроводящем состоянии, и передать энергию решетке электроны не в состоянии! Вот и остается электронам только излучить эту энергию в виде кванта электромагнитного излучения с энергией hщ (h = 2рЋ = 6,65* 10-34 Дж*с). Поэтому частота излучения щ связана с приложенным напряжением U простым соотношением:

hщ = 2еUэ.

Заметим, что справа написан удвоенный заряд электрона - туннелируют не отдельные электроны, а сверхпроводящие пары.

Этот эффект и был предсказан Джозефсонм:

постоянное напряжение, приложенное к сверхпроводящему туннельному контакту (джозефсоновскому элементу), приводит к генерации электромагнитного излучения.

Экспериментально этот эффект был обнаружен в Харьковском Физтехе (лаборатория низких температур) учеными И.М. Дмитриенко, В.М. Свистуновым и И.К. Янсоном в 1965 году.

Первое, что приходит в голову, если говорить о практическом применении этого эффекта, - создание генератора электромагнитного излучения. Но в действительности все не так просто: излучение довольно трудно вывести из узкой щели между сверхпроводящими пленками, где оно генерируется, и мощность излучения довольно мала. Поэтому в настоящее время джозефсоновские элементы используются в основном в качестве самых чувствительных детекторов электромагнитного излучения в некоторых диапазонах частот.

Такое применение основано на явлении резонанса между внешними электромагнитными колебаниями (в регистрируемой волне) и собственными колебаниями, возникающими в джозефсоновском элементе при приложении к нему постоянного напряжения. Волну удается «поймать», когда ее частота совпадает с частотой приемного колебательного контура (джозефсоновский элемент). Частоту собственных колебаний элемента легко подстраивать, изменяя напряжение, а острота резонанса, определяющая чувствительность приемника, оказывается очень высокой.

квантовый магнитный поле сверхпроводимость

Квантовый магнитометр

Эффект Джозефсона в сочетании с явлением квантования магнитного потока послужили основой для создания целого семейства сверхчувствительных измерительных приборов. Они называются «сверхпроводящие квантовые интерференционные детекторы (СКВИДы)» (Superconducting Quantum Interference Devices (Detector)). Рассмотрим один из СКВИДов - квантовый магнитометр - прибор для измерения (регистрации) слабых магнитных полей.

Рис. 4

Простейший квантовый магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца, в цепь которого включен джозефсоновский элемент (рис. 4). Чтобы возник ток в нормальном туннельном контакте, к нему надо приложить хотя бы небольшое напряжение. Но в сверхпроводящем туннельном контакте это не обязательно. Если в кольце создать сверхпроводящий ток, то он сможет течь и через джозефсоновский элемент: сверхпроводящие пары будут туннелировать через тонкий слой диэлектрика. Такое явление называют стационарным эффектом Джозефсона, в отличие от рассмотренного выше нестационарного эффекта, сопровождающегося излучением. Существует максимально допустимое для контакта значение сверхпроводящего тока. Его называют критическим током контакта IК. при токе, большем критического, сверхпроводимость в контакте разрушается и на нем обязательно появляется напряжение.

При включении в сверхпроводящий контур джозефсоновского элемента не происходит полного разрушения сверхпроводимости, но в контуре появляется место, в котором сверхпроводимость ослаблена (возникает слабая связь). Именно на этом основано использование такого контура для точного измерения магнитных полей.

Если бы контур был полностью сверхпроводящим (не содержал слабой связи), то магнитный поток через его площадь был бы строго постоянным. Действительно, согласно закону электромагнитной индукции, всякое изменение внешнего магнитного поля приводит к возникновению ЭДС индукции еi = - ДФвнешн/Дt, а значит - к изменению тока в контуре. Но изменяющийся ток в свою очередь порождает ЭДС самоиндукции

еis = - LДI/Дt.

Поскольку падение напряжения в сверхпроводящем контуре равно нулю (сопротивление равно нулю), алгебраическая сумма этих ЭДС тоже равно нулю:

еi + еis = 0,

ДФвнешн. / Дt + LДI / Дt = 0.

Отсюда следует, что при изменении внешнего магнитного потока сверхпроводящий ток в контуре меняется так, чтобы изменение магнитного потока, создаваемого током, компенсировало изменение внешнего потока (правило Ленца). При этом полный магнитный поток через контур остается постоянным: Ф = const. Изменить его, не переводя контур в нормальное состояние, нельзя - говорят, что в сверхпроводящем контуре магнитный поток «заморожен».

А что произойдет, если сверхпроводящий контур содержит слабую связь? Оказывается, что магнитный поток через такой контур может меняться - через слабую связь в контур проникают кванты потока (магнитный поток равен целому числу квантов потока Ф0).

Пусть внешнее поле и ток в контуре равны нулю (рис.5, а), тогда поток внутри контура тоже равен нулю. Будем увеличивать внешнее поле - в контуре появится сверхпроводящий ток, магнитный поток которого полностью компенсирует внешний поток. Так будет продолжаться до тех пор, пока ток в контуре не достигнет критического значения IК (рис 5,б). предположим для определенности, что в этот момент внешнее поле создает поток, равный половине кванта: Ф0/2 (рис. 5, б).

Как только ток станет равным IК, сверхпроводимость в месте слабой связи разрушится, и в контур пойдет квант потока Ф0 (рис. 5, в). при этом отношении Фвнутр./Ф0 скачком увеличится на единицу (сверхпроводящий контур перейдет в новое квантовое состояние). А величина тока останется прежней, но направление изменится на противоположное. Действительно, если до вхождения кванта потока Ф0 ток IК полностью экранировал внешний поток Ф0 /2, то после вхождения он должен усиливать внешний поток Ф0 /2 до значения Ф0. Поэтому в момент вхождения кванта потока направление тока скачком меняется на противоположное.

При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце начнет уменьшаться, сверхпроводимость в кольце восстановится и поток внутри кольца будет оставаться равным Ф0, ток в контуре обратится в нуль, когда внешний поток также станет равным Ф0 (рис. 5,г), а затем он начнет течь в обратном направлении. Наконец, при значении внешнего потока 3Ф0/2 ток опять станет равным IК, сверхпроводимость разрушится, войдет следующий квант потока и т. д.

Графики зависимости магнитного потока Фвнутр. Внутри кольца и тока I в нем от величины внешнего потока Фвнеш. Показаны на рис. 6 (оба потока измеряются в естественных единицах - квантах потока Ф0). Ступенчатый характер зависимости позволяет «чувствовать» отдельные кванты потока, хотя величина их очень мала ( порядка 10-15 Вб). Нетрудно понять почему. магнитный поток внутри сверхпроводящего контура изменяется хотя и на малую величину ДФ = Ф0, но скачком, то есть за очень короткий промежуток времени Дt. Так что скорость изменения магнитного потока dФ/dt при таком скачкообразном характере изменения потока оказывается очень большой. Ее можно измерить, например, по величине ЭДС индукции, наводимой в специальной измерительной катушке прибора. В этом и состоит принцип работы квантового магнитометра.

Рис. 5

Устройство реального квантового магнитометра в действительности много сложнее. Так, обычно используют не одну, а несколько слабых связей, включенных параллельно, - своеобразная интерференция сверхпроводящих токов приводит к повышению точности измерений. Чувствительный элемент прибора (детектора) индуктивно связывают с катушкой колебательного контура, где скачки потока преобразуются в импульсы напряжения, которые затем усиливаются.

В настоящее время сверхчувствительные магнитометры, измеряющие магнитные поля с точностью до 10-15 Тл, - это уже промышленная продукция, находящая широкое применение в измерительной технике.

Интересно применение СКВИДов для снятия магнитокардиограммы для диагностики сердечных заболеваний (Германия) (при работе сердца возникают очень слабые магнитные поля - порядка 10-11 Тл.

Другие применения сверхпроводимости.

Возможность получить большие токи от источника с малым напряжением при отсутствии потерь на джоулево тепло используется в измерительной технике: гальванометры с рамкой из сверхпроводника имеют огромную чувствительность порядка 10-12 В.

Для создания резонаторов высокой добротности с малым затуханием колебаний стенки резонаторов могут быть изготовлены из сверхпроводящих материалов, обеспечивающих малое сопротивление и малое затухание.

Явление сверхпроводимости используется для получения весьма больших магнитных полей. Для этого обмотки электромагнита изготовляются из сверхпроводящей проволоки, изготовленной из сверхпроводящих сплавов с большим значением критической напряженности магнитного поля Нкр. В таких обмотках может быть создана огромная плотность токов, и, соответственно, электромагнит будет иметь сильное магнитное поле. Современные обмотки соленоидов, изготовленные из сверхпроводящих сплавов, позволяют получать магнитные поля с индукцией более 10 Тл. Такие соленоиды не не рассеивают мощности.

На принципе разрушения сверхпроводящего состояния магнитным полем основано создание переключающих устройств, называемых криотронами. Пленочные криотроны, имеющие весьма малые габариты, переключаются за 10-9 - 10-10 сек.

На основе явления сверхпроводимости создаются элементы памяти в электронике. Идея таких элементов, изготовленных из сверхпроводящих пленок, - ток, наведенный в сверхпроводящем кольце, хранится без затухания очень долго.

Список литературы

1. Асламазов Л. Что такое СКВИД?. - М.: Наука, 2000.

2. Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы, в 2-х томах. - М.: Издательство стандартов, 2001.

3. Евграфова Н.Н. Физика и техника. - М.: Высшая школа, 1988.

4. Уилкокс У.У., Эллиот Л. Физика. / Пер. с англ. под ред. проф. А.И. Китайгородского. Изд. 5-е, исправл. - М.: Наука, 1985.

Размещено на Allbest.ru