Ча с т ь V
ДВИЖЕНИЕ МАГНЕТОНОВ В СРЕДЕ С НИЗКОЙ
ЭНЕРГИЕЙ
Условия движения электронных магнетонов в твердых струк турах принципиально различаются в зависимости от того, про исходит ли обмен энергией между движущимися магнетонами и этими структурами. При температурах ниже определенного значения, вблизи абсолютного нуля, наблюдается внезапный пе реход из состояния, когда магнетоны взаимодействуют со струк турой, в состояние, когда такое взаимодействие отсутствует. Ниже обсуждены некоторые магнитные явления в условиях пере охлаждения — в окрестности этой критической температуры и при более низких температурах.
Когда кусок твердого вещества обладает довольно малым запасом энергии, он проявляет минимальную тепловую актив ность. Ионы, показанные схематически на рис. 17.1, не совер шают слишком сильных колебаний относительно своих равно весных позиций в узлах кристаллической решетки, так что сво бодные электроны могут «проскользнуть» через междоузлия кристалла, не вступая в значительное взаимодействие с ионами. Если отсутствует приложенное извне магнитное поле, то при тем пературах ниже определенного критического значения взаимное отталкивание между орбитальными и свободными электронами приводит к тому, что последние движутся по «каналам», фак тически исключающим какое-либо взаимодействие их с колеблю щимися ионами в узлах решетки.
При этих условиях электроны могут свободно двигаться в течение всего времени, пока они остаются в указанных каналах. Однако электростатические силы, формирующие эти каналы, весьма малы, так что нетрудно вызвать столкновения между свободными электронами и ионами, продолжающими слабо колебаться. Достаточно сильное внешнее магнитное поле может смещать свободные электроны, так что они выходят из каналов и могут снова взаимодействовать с ионами. Подобным же обра зом повышение температуры может увеличить амплитуду коле баний ионов до такой степени, что они начинают преграждать траектории свободных электронов.
Если на самом деле имеет место взаимодействие между сво бодными электронами и ионами в узлах кристаллической ре шетки, то наблюдаются магнитные явления, которые достаточно
подробно описаны в предыдущих главах. Однако в тех случаях, когда взаимодействие отсутствует и свободные электроны оста ются в пределах своих каналов, могут происходить совершенно иные магнитные явления. Ниже обсуждены магнитные явления, которые можно ожидать при условии, что магнетоны способны двигаться в кристаллических структурах без взаимного обмена энергией с этими структурами.
24. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СРЕДЫ
Кристаллические вещества называют сверхпроводящими, когда при пропускании через них электрического тока не проис ходит обмен энергией между носителями тока и структурой кристаллической решетки. Явление сверхпроводимости наблю
дается тогда, когда текущий |
в проводнике электрический ток |
не создает соответствующего |
градиента потенциала. |
Допуская, что все элементы кристаллической решетки непо движны, можно в качестве наглядной иллюстрации соотноше ний между электронами-носителями и элементами решетки в условиях сверхпроводимости использовать рис. 17.1. Если элек троны проводимости испытывают воздействие со стороны неупо рядоченных элементов кристаллической решетки, подвержены влиянию значительной тепловой активности или же отклоняются силами Лоренца, то возобновляется взаимодействие электронов с решеткой и вещество утрачивает сверхпроводимость. Свойство сверхпроводимости определяется способностью электронов прово димости двигаться через регулярные структуры кристалличе ской решетки без взаимодействия с этими структурами. Воз можность состояния сверхпроводимости обусловлена наличием малых сил, удерживающих электроны проводимости на прямо линейных траекториях, по которым они движутся, не встречая на пути элементы решетки.
Сверхпроводящее вещество характеризуется критической температурой, ниже которой оно обладает свойством сверх
проводимости, а выше — теряет это свойство. Иными |
слова |
ми, если элементы решетки находятся в достаточно |
спокой |
ном состоянии, то электроны проводимости могут «проскольз нуть» в промежутках между элементами решетки, «не замечая» этих элементов. При критической температуре элементы решетки настолько активны, что могут смещаться, преграждая траекто рии электронов, причем происходит взаимодействие между эле ментами решетки и электронами-носителями. Таким образом, существует значение температуры, при котором тепловая энергия решетки преодолевает малые силы, удерживающие электроны-носители на определенном удалении от элементов решетки. Ниже этого значения температуры преобладают силы, предотвращающие взаимодействие, выше этого значения преоб ладают силы тепловой активности.
У всех веществ критическая температура очень близка к аб солютному нулю. Максимальная критическая температура до стигает приблизительно 20 К, однако у большинства веществ она значительно ниже.
Сверхпроводимость может поддерживаться в присутствии слабых магнитных полей, однако сильные магнитные поля ее разрушают. Таким образом, существует некоторая критиче ская напряженность магнитного поля, такая, что при мень ших значениях напряженности возможно состояние сверх проводимости, а при больших значениях это состояние невоз можно. В последнем случае малые силы, стремящиеся удер жать электроны на прямолинейных траекториях в узких каналах, преодолеваются силами Лоренца, искривляющими траекторию электронного пучка, что приводит к. столкновениям электронов проводимости с элементами решетки. Критическая напряжен ность магнитного поля, превышение которой влечет за собой столкновение частиц под влиянием сил Лоренца, зависит от температуры. Эта зависимость выражается законом Туина.
Кроме того, сверхпроводимость может поддерживаться при слабых электрических токах, однако сильные электрические токи ее разрушают. Следовательно, должен существовать не который критический ток, такой, что при меньших значениях тока возможно состояние сверхпроводимости, а при боль ших значениях тока это состояние невозможно. На самом деле критический характер этого тока обусловлен связанным с ним магнитным полем, и в нем косвенно проявляется влияние крити ческой напряженности магнитного поля.
Поскольку напряженность магнитного поля, порождаемого электрическим током, зависит от кривизн^ пути тока, магнитное поле, воздействующее на каждый участок проводника, изогну того в форме окружности, будет сильнее, чем в случае прямоли нейного проводника. Эффект Силсби заключается в том, что критический ток для сверхпроводящего витка проволоки изменя ется пропорционально его диаметру.
Сверхпроводимость — это явление, зависящее от геометриче ских параметров кристаллической решетки, а также от регуляр ности распределения этих периодических параметров. Поэтому как критическая температура, так и критическая напряженность магнитного поля зависят от механических деформаций мате риала.
Поскольку тепло переносится в сверхпроводниках теми же самыми электронами, что и электрический ток, влияние среды на электроны-носители сказывается также на всех процессах пе реноса тепла.
Хотя сверхпроводящие вещества не обладают сопротивле нием по отношению к постоянному току, для переменного тока имеют место потери, возрастающие при повышении частоты ко
лебаний тока. В ближней инфракрасной области частот эти по тери более или менее эквивалентны потерям в обычных провод никах.
Если вещество находится в состоянии сверхпроводимости, то возникновение каких-либо термоэлектрических эффектов в нем исключено.
24.1. ЭФФЕКТ МЕЙССНЕРА
Сверхпроводящие вещества обладают идеальными диамагнит ными свойствами. Поскольку в сверхпроводнике электроны про водимости не испытывают ограничений, связанных с поглоще нием энергии, они при своем свободном движении порождают поле Ленца, в точности равное, но противоположное по направ лению магнитному полю, приложенному извне. Вследствие того что всегда поддерживается точное равенство напряженности поля Ленца и приложенного поля, через сверхпроводящее ве щество, помещенное в магнитное поле, не может пройти маг нитный поток, за исключением случая, когда вещество нагрето до температуры В ы ш е критического значения. Но даже в этом случае магнитный поток «выталкивается» из вещества, если его снова охладить до температуры ниже критического значения. Это выталкивание магнитного потока из внутренней области сверхпроводника называется эффектом Мейсснера. Структу ра магнитного поля вблизи устройства Мейсснера иллюстри руется на рис. 24.1.
Если проволочная катушка намотана вокруг цилиндра из сверхпроводящего вещества, то через катушку не может пройти магнитный поток, так как этот поток полностью компенсируется под влиянием диамагнетизма Мейсснера. Если же поднять тем пературу вещества выше критического значения, то через ве щество и, следовательно, через катушку обычным образом пройдет магнитный поток. Поэтому при каждом переходе через критическую температуру как при нагревании, так и при охлаж дении вещества в катушке генерируется импульс напряжения.
Магнитное поле
Магнитный.
Рис. 24.1. Устройство Мейсснера. По скольку поле Ленца, обусловленное сверхпроводящими электронами, в точ ности противоположно приложенному извне магнитному полю, внешнее маг нитное поле не может проникнуть в сверхпроводящее вещество
Этот импульс обусловлен внезапным изменением магнитного потока в катушке при критической температуре.
В схеме, показанной на рис. 24.1, установка температуры вещества выше или ниже критического значения равнозначна включению или выключению магнитного потока, проходящего через катушку. Если этот механизм переключения (нагревание и охлаждение) срабатывает достаточно быстро, то в катушке наводится переменное напряжение с амплитудой, пропорциональ ной составляющей внешнего магнитного поля в направлении оси катушки. Поскольку при критической напряженности магнитного поля сверхпроводимость исчезает, описанный метод измерения магнитного поля пригоден только для слабых магнитных полей. При помощи точно такого же устройства, измеряя индуктив ность катушки, можно определять состояние вещества — явля ется оно сверхпроводящим или нет.
24.2. ТИПЫ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
Известны два основных рода сверхпроводящих материалов. У материалов первого рода степень диамагнитности изменяется пропорционально напряженности приложенного поля для слабых магнитных полей и резко падает до некоторого постоянного низкого уровня для магнитных полей с напряженностью, превы шающей критическое значение (Нс на рьс. 24.2). Иными слова ми, степень диамагнитности связана с намагничивающей силой линейным соотношением при напряженностях поля меньше кри тического значения, а при напряженностях больше критиче
ского значения устанавливается диамагнетизм |
Паули (см. |
§ 3.8), при этом диамагнетизм Мейсснера выражен |
значительно |
сильнее, чем диамагнетизм Паули. |
|
Материалы второго рода характеризуются двумя критичес кими значениями напряженности магнитного поля. При напря женностях внешнего поля, меньших нижнего критического зна чения, эти материалы ведут себя точно так же, как материалы первогорода. Однако при напряженностях магнитного поля, находящихся в области между двумя критическими значениями, материал второго рода ведет себя таким образом, как если бы
Рис. 24.2. Типы сверхпроводимости. Диамагнитные свойства сверхпроводя щего материала могут быть обусловле ны различными механизмами. В част ности, если преобладает эффект Мейс снера, то имеет место определенная структура потока электронов, однако существенную роль может играть также суммарное влияние многочис
ленных малых диамагнитных очагов: 1 — материал первого рода; 2 — материал второго рода