Файл: Ейльман, Л. С. Проводниковые материалы в электротехнике.pdf

может быть объяснено дополнительное притяжение, возникающее между электронами.

При низких температурах это притяжение у ряда веществ, которые как раз и являются сверхпроводниками, преобладает над кулоновским электронным отталкиванием. При этом электронная система превращается в связанный коллектив, и для того чтобы возбудить ее, требуется затрата конечной энергии. Энергетический спектр всей системы связанных электронов в этом случае не будет непрерывным. Возбужденное состояние отдалено от основного неко­ торым энергетическим интервалом, или, как говорят, энергетической

«щелью» Д [Л. 5].

Электрическое сопротивление металлов обусловлено, как изве­ стно, взаимодействием движущейся электронной системы с колеба­ ниями кристаллической решетки или с примесями. Ясно, однако, что при наличии «щели» в энергетическом спектре квантовые пере­ ходы электронной жидкости не всегда будут возможны. Электронная система не будет возбуждаться при малых скоростях своего движе­ ния, что и означает движение без трения, т. е. отсутствие электри­ ческого сопротивления.

Эффект сверхпроводимости возникает, таким образом, благода­ ря притяжению, существующему между электронами. Наиболее сильно взаимодействующими оказываются электроны, обладающие противоположными импульсами и спинами. Электронную систему в сверхпроводнике можно себе представить состоящей из связанных пар таких электронов. Энергия связи пары и определяет размер «щели» в энергетическом спектре.

Эти пары часто называют куперовскими, по имени Д. Купера, впервые доказавшего, что слабое притяжение электронов металла

10-8 см). Описанная картина образования пар является, конечно, весьма условной. По существу мы имеем дело с электронной си­ стемой, в которой благодаря наличию сил притяжения устанавли­ вается упорядоченное состояние.

В настоящее время известны сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода выходят из сверхпроводящего состояния уже при слабых магнитных полях и способны пропускать малые токи. При небольших полях магнитное поле не проникает в сверх­ проводник 1-го рода. Сверхпроводники 2-го рода сохраняют сверх­ проводящее состояние вплоть до высоких значений индукции маг­ нитного поля. При слабых полях магнитное поле выталкивается из объема такого сверхпроводника. С увеличением индукции поток начинает проникать в образец. При некотором значении индукции сверхпроводимость в объеме образца исчезает, однако в поверхност­ ном слое сверхпроводимость сохраняется вплоть до более сильных полей. При определенных условиях сверхпроводники 1-го рода мо­ гут обладать некоторыми свойствами сверхпроводников 2-го рода,

инаоборот.

Вкачестве материалов для магнитов используются сверхпро­ водники 2-го рода, содержащие неоднородности и примеси. Эти ма­ териалы выдерживают токи больших плотностей при сильных маг­ нитных полях. Сверхпроводники 2-го рода иногда подразделяют на идеальные и так называемые жесткие (неидеальные) сверхпровод­ ники. Идеальные сверхпроводники 1-го и 2-го рода обладают обра­

13

iia). Причина возникновения поверхностного натяжения между нор­ мальной и сверхпроводящей фазами указана в [Л. 6—8].

Любой сверхпроводник 1-го рода, имеющий некоторое количе­ ство примесей (достаточное для обеспечения малой длины свобод­ ного пробега), становится сверхпроводником 2-го рода. Для таких сверхпроводников, характеризующихся отрицательным значением Он, во внешнем магнитном поле энергетически более выгодно такое состояние, когда сверхпроводник разделен на большое число нор­ мальных и сверхпроводящих областей. При таком разделении ока­ зывается максимально развитой граница раздела нормальной и сверхпроводящих фаз. Это как раз и реализуется в смешанном состоянии.

Второе критическое магнитное поле В кР2, определяющее уровень полей, которые может обеспечить данный материал, зависит от тем­ пературы сверхпроводящего перехода Тир и от других физических характеристик образца:

■ВКр2=2,58-10 2уГ„рр„,

где у — коэффициент электронной теплоемкости; рт»— остаточное электрическое сопротивление.

В некоторых случаях в поверхностных слоях сверхпроводимость сохраняется в полях, больших, чем второе критическое поле. Маг­ нитная индукция, до котором сохраняется поверхностная сверхпро­ водимость, называется третьим критическим магнитным полем Вкрз

иравна 1,965 В1!Р2.

2.ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ СПЛАВОВ

С п л а в а м и называются равновесные состояния физи­ ко-химических систем из двух или нескольких элементов. В зависи­

ких пропорциях не образуют твердого раствора. Сплав состоит из

ной взаимной ipacTBOipuMO'CTbio. В этом случае всегда образуется гомогенный сплав, содержащий один вид кристаллов (например, медь — никель).

3. И и т е р м е т а л л и ч е с к о е с о е д и н е н и е . При опреде­ ленных соотношениях компонентов возможно образование соеди­ нения с кристаллической решеткой, существенно отличной от реше­

предельные, а промежуточные состояния, когда компоненты огра­ ничено растворимы, причем растворимость с понижением темпера­ туры уменьшается. Это сплавы с гетерогенной смесью кристаллов одного из компонентов и твердым раствором, а иногда и химиче­ ским соединением с другими компонентами.

Удельное электрическое сопротивление металлов и сплавов, как

15

вгл. 2 (табл. 25).

Всплавах эвтектического типа, а также в гетерогенных ком­ позициях, получаемых спеканием или внутренним окислением, элек­

трическая проводимость изменяется с изменением объемного соста­ ва по закону аддитивности, т. е. зависит от объемного состава ком­

проводимость по сравнению со смежными сплавами обычно возра­ стает, образуя ясно выраженный максимум, который расположен ниже проводимостей чистых компонентов. Иногда электрическая про­ водимость интерметаллических соединений достигает значений, ха­

но сопротивление этих соединений при комнатной температуре обыч­ но значительно выше, чем для меди.

Особый интерес представляют сплавы, образующие непрерывный ряд твердых растворов. При 50%-ном атомном содержании эти сплавы имеют максимум сопротивления, иногда в несколько раз превышающий сопротивление чистых металлов. Примером могут служить сплавы Си—Ni, Ag—Аи и др. На рис. 5,а приведены зави­

сопротивление становится минимальным для сплава, так как осво­ божденная от растворенного компонента матрица основного метал­ ла восстанавливает свою электрическую проводимость. Это показано на рис. 5,6 на примере сплавов медь — золото. Максимуму сопро­ тивления соответствует плоский минимум температурного коэффи­ циента сопротивления. Объяснение заключается в том, что сопро­ тивление сплава состоит из двух слагаемых; сопротивления раство­

16

в количестве до 1%, повышают сопротивление металлов приблизи­ тельно пропорционально атомной концентрации. В 1921 г. А. Л. Норбюри установил, что уменьшение электрической проводимости при введении до 1 % (атомного) легирующего металла тем больше, чем дальше отстоит легирующий элемент от металла-растворителя в пе­ риодической системе элементов.

Электрическое сопротивление сплавов, состоящих из двух и бо­ лее фаз, определяется объемным содержанием каждой фазы, их

Рис. 5. Зависимость электрического сопротивления сплавов от их состава при разных температурах.

а — медно-никелевых; б — медно-золотых ( / —при резкой закалке, 2 — при медленном охлаждении от температуры затвердевания до 470 °С и длительной выдержке при этой температуре).

торую внедрены не соприкасающиеся между собой кристаллы второй фазы, то удельное электрическое сопротивление сплава может быть определено по формуле

ЭКЗЕМПЛЯР