Файл: Туровский Я. Техническая электродинамика.pdf

тронов имеет важное значение для так называемых полу­ проводников.

В общем случае говорят, что валентные электроны находятся в металле в «свободном» состоянии, образуя своеобразный «электронный газ», заполняющий про­ странство, образуемое регулярно размещенными поло­ жительными ионами. Газ этот может двигаться под влия­ нием приложенного электрического поля. Свободные электроны не могут, однако, выйти наружу металла, так

Рис. 1-4. Типичная кри­

как этому препятствует разность потенциалов на границе металл — вакуум (или металл — диэлектрик). Для того чтобы электрон мог выйти из металла, требуется преодо­ ление этой разности потенциалов, что связано с выпол­

выше температура металла, имеет достаточно большую энергию, чтобы выйти из металла. Явление это называ­ ется термоэлектронной эмиссией.

Проводимость металлов уменьшается с увеличением температуры, что объясняется увеличивающейся осцил­ ляцией атомов при практически неизменном числе элек­ тронов. Осциллирующие атомы препятствуют свободно­ му перемещению электронов (а точнее, электронных волн). На рис. 1-4 представлена типичная кривая изме­ нения удельного электрического сопротивления р метал­ ла в функции температуры. Эта зависимость в определен­ ных пределах может быть аппроксимирована с помощью прямой линии рг = р 0 ( 1 + й ^ ) .

Если через N обозначить число свободных электронов с зарядом е, приходящееся на единицу объема провод­ ника, через v — результирующую скорость электронов,

25

полученную ими в результате воздействия электрическо­ го поля Е и опаздывающих столкновений с осциллирую­ щими под влиянием тепла атомами, то ток i через по­ верхность А будет выражаться формулой

удельного электрического сопротивления металла необ­

сила эта прижимает электроны к нижней стороне про­ водника.

Вызванное этим неравномерное распределение заря­ дов является причиной появления в металле поперечного электрического поля Ен, направленного вдоль отрица­ тельной оси Y и противодействующего накоплению элек­ тронов в нижней части проводника. Явление это назы­ вается эффектом Холла.

Электростатическая сила F = eEH, действующая на электроны благодаря эффекту Холла, должна в состоя­

20

характеризующую свойства тела, называют постоянной Холла.

Уравнение (1-10) позволяет экспериментально опре­

вание облачка жидкого кислорода. В 1883 г. 3. Врублевски и К- Ольшевски впервые получили ожижение стой­ кого газа (воздуха и азота в статическом состоянии и водорода — в динамическом, в виде облачка). В 1898 г. И. Дыоар получил жидкий водород, и в 1908 г. Каммер-

трическое сопротивление некоторых металлов начинает стремительно уменьшаться до нуля пропорционально пя­ той степени абсолютной температуры тела (рис. 1-4). Ис­ чезновение сопротивления происходит почти скачкооб­ разно, в пределах разности температуры 0,01 °С. Многие металлы переходят в состояние сверхпроводимости при температурах несколько выше абсолютного нуля. Такие металлы называют сверхпроводниками. К ним принад­ лежат около 25 элементов и около тысячи известных соединений и сплавов. Это обычно металлы с меньшей электрической проводимостью, у которых свободные элек­ троны проводимости обладают способностью объединять-

27

ся в пары при определенной температуре (температуре перехода) таким образом, что удельное электрическое со­ противление, вызванное столкновением одного электрона с атомом кристаллической решетки, сводится точно к ну­ лю в результате отскакивания второго партнера, без по­ терь энергии. Сверхпроводники теряют свойства сверх­ проводимости, когда индукция магнитного поля на их

Рис. 1-6. Зависимость критической индукции магнитного поля от температуры для некоторых сверхпроводников.

а — идеальные «мягкие» сверхпроводники [Л. 1-16]; б — неидеальные «твер­

дые» сверхпроводники (Кунцлер, 1962 г.).

поверхности превысит определенное для данного металла

зывают критической температурой Тс. Выше критических параметров упомянутые пары электронов распадаются и

(чистые металлы — рис. 1-6,а) с сильными диамагнитны­ ми свойствами, вызванными тем, что ток сверхпроводи­ мости может протекать в них исключительно в очень тон-

28

ком поверхностном слое; 2) неидеальные или «твердые» сверхпроводники (соединения и сплавы — рис. 1-6,6), со­ держащие сверхпроводящие волокна, размещенные во всей массе металла, благодаря чему как постоянное маг­ нитное поле, так и ток могут распределяться по всему объему тела. Эти волокна наподобие миниатюрных сверхпроводящих контуров могут «захватывать» магнит­ ное поле, благодаря чему «твердый» сверхпроводник об­ ладает гистерезисом. Твердые сверхпроводники не име­ ют такой отчетливо выраженной границы перехода (кри­ вые Вс), как мягкие сверхпроводники.

плотностями тока до 104—105 А/см2 , вызвало значитель­ ное развитие и широкое практическое применение сверх­ проводимости. В настоящее время производятся десятка­ ми и даже сотнями штук :[Л. 1-24] сильные магниты без стали, предназначенные для магнитогидродинамических генераторов, для плазменных ловушек при исследовании контролируемой термоядерной реакции и т. п. Получе­ ние сильных магнитных полей практически без потерь мощности в обмотках открывает возможность радикаль­ но улучшить конструкцию сверхмощных трансформато­ ров [Л. 1-29], синхронных генераторов и двигателей без стали и потерь мощности в цепях возбуждения ,[Л. 1-25]. Имеются также широкие перспективы использования сверхпроводимости в элементах автоматики, технике бе­ зопасности, в электрических кабелях и т. п. ![Л. 1-10, 1-16].

До сих пор самые высокие температуры и критиче­ ские поля наблюдались в соединениях Nb3 Sn, V3 Si, V3 Ga и NbAlGe (Тс около 20 К) . Однако они слишком хруп­ кие и дорогие. Поэтому в настоящее время наиболее широкое применение получил сплав ниобия с цирконием Nb—Zr 25%, легко поддающийся пластической обра­ ботке.

Главным препятствием на пути широкого внедрения техники сверхпроводимости в народное хозяйство явля­ ется не только низкое значение критических параметров известных сверхпроводников, но и высокая стоимость

29