Материал: Учебное пособие ЭТМ
трубки. Сверхпроводимость обнаруживают также углеродные нанотрубки, наполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) при температуре менее 10 К.
Углеродные нанотрубки обладают высокими механическими свойствами. Предел прочности на разрыв трубок приблизительно в 100 раз превышает прочность стали. С учетом сравнительно низкой плотности нанотрубок это означает, что у них максимальное отношение прочности к плотности, т. е. они обеспечивают максимальную прочность при заданной массе, превосходя по этому параметру даже бериллий. Микротвердость нанотрубок выше, чем микротвердость алмаза. Нанотрубки обладают капиллярным эффектом, то есть они способны втягивать внутри трубки растворы, расплавы.
Фуллерены (включая и нанотрубки) в настоящее время одно из важнейших направлений современной физики. Растет число публикаций, проводятся научные конференции и выходят научные журналы, посвященные только фуллеренам. В науке наблюдается «фуллерено- вый бум». Выдвигаются идеи по применению фуллеренов и нанотрубок. Так, нанотрубками предлагают заполнять емкости, содержащие водород. Это, учитывая капиллярный эффект, присущий нанотрубкам, позволит увеличить степень заполнения емкости, что имеет важное значение с учетом современных тенденций по применению водорода на транспорте (авиация, автомобиль и др.).
Высокую теплопроводность нанотрубок предполагают использовать в виде теплопроводного наполнителя в композиционных материалах с высокой теплопроводностью. Например, для материалов систем изоляции турбо- и гидрогенераторов.
Введение углеродных нанотрубок в металлы или полимеры позволяет повысить их механические свойства. Введение 11,5 % (масс.) многослойных углеродных нанотрубок диаметром 0,2 мкм в полипропилен приводит к удвоению его предела прочности на разрыв. Проведенные расчеты по оценке упрочнения алюминия и стали при введении в эти металлы углеродных нанотрубок (5 − 30 % об.) показали, что прочность на разрыв может увеличиться в несколько раз.
168
6.СВЕРХПРОВОДНИКИ
6.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВЕРХПРОВОДНИКАХ
Явление сверхпроводимости (СП) было открыто в 1911 году Х. Камерлинг– Оннесом (Голландия). В 1913 г. за открытие этого явления ему была присуждена Нобелевская премия по физике.
В 1908 году Х. Камерлинг− Оннесу впервые в мире удалось получить жидкий гелий с температурой испарения 4,2 К.
Получив жидкий гелий, Х. Камерлинг– Оннес стал применять его в качестве охлаждающей жидкости (хладагента) для исследования свойств материалов при криогенных температурах. Измерение электрического сопротивления ртути привело к открытию совершенно нового эффекта — сверхпроводимости (рис. 6.1). При температуре жидкого гелия сопротивление ртути «исчезло».
RT |
R273K |
Рис. 6.1. Температурная зависимость сопротивления ртути (сверхпроводник при Т ≤ Тисп Не = 4,2 К), платины и золота
6.2. ЭФФЕКТЫ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
Зависимость сверхпроводимости от температуры
Удельное электрическое сопротивление у сверхпроводника равно 0 (или, по крайней мере, менее 10- 24 Ом·м) (рис. 6.2) при температуре, меньшей Тс. (Тс — критическая температура перехода
169
проводника из нормального в сверхпроводящее состояние, или из сверхпроводящего в нормальное состояние). Следовательно, ток, однажды наведенный в замкнутой цепи, будет отличен от нуля при времени, стремящемся к бесконечности. Прямой эксперимент, подтвердивший этот факт, длился в течение трех лет и затем был прерван.
ρ
ρост |
> 0 |
ρ = 0 |
ρ > 0 |
|
|
Рис. 6.2. Зависимость удельного сопротивления от температуры для сверхпроводника и нормального проводника
У нормального проводника при отключении сети от источника, ток спадает до нуля за время меньше 10- 12 с.
Зависимость сверхпроводимости от температуры и
индукции магнитного поля
Согласно экспериментальным данным разрушение сверхпроводящего состояния магнитным полем происходит всегда, когда поле достигнет критического значения Вс (рис. 6.3), независимо от того, является это поле внешним или создано, проходящим по сверхпроводнику током (правило Сильсби).
170
(ρ = 0)
(ρ > 0)
Рис. 6.3. Зависимость сверхпроводящего состояния от температуры и индукции магнитного поля (вдоль оси абсцисс указаны значения Тс
для приведенных на графике сверхпроводников)
Зависимость сверхпроводимости от плотности тока (J), температуры и индукции магнитного поля приведена на рис. 6.4.
(ρ = 0)
(ρ > 0)
Рис. 6.4. Приближенная зависимость сверхпроводящего состояния от температуры, магнитной индукции и плотности тока
Эффект В. Мейсснера − Р. Оксенфельда
Эффект В. Мейсснера − Р. Оксенфельда (1933 г., Германия), заключающийся в том, что магнитные линии обтекают сверхпроводник (или «выталкиваются из сверхпроводника») при температуре, меньшей Тс (рис. 6.5). Часто в литературе этот эффект называют эффектом Мейсснера.
171
ρ > 0 |
ρ = 0 |
μ < 1 |
Т > Тс |
Т < Тс |
|
Рис. 6.5. Эффект Мейсснера − Оксенфельда
Немецкие физики братья Фриц и Ганс Лондон разработали теорию, объясняющую эффект Мейсснера − Оксенфельда. Согласно этой теории магнитное поле все же проникает в сверхпроводники (при температуре меньшей Тс) на незначительную глубину λ ≈ 10- 6 – 10 - 7 м
(«лондоновская глубина проникновения»). При этом напряженность магнитного поля уменьшается по мере проникновения в материал:
Нх = Н0ехр(− х/λ), |
(6.1) |
где Н0 и Нх — напряженность магнитного поля на поверхности и на глубине х от поверхности сверхпроводника соответственно; λ — глубина проникновения магнитного поля, на которой напряженность магнитного поля уменьшается в е раз.
Тот факт, что магнитное поле все же проникает в сверхпроводники на небольшую глубину, означает, что сверхпроводящие свойства материала будут зависеть от размеров сверхпроводника. Так, например:
для бериллия, если толщина пленки h больше λ, то Тс = 0,03 К; если же h меньше λ, то Тс приблизительно 9 К при h равной 10 нм;
для свинца, если толщина пленки h больше λ, то Тс равна 7,2 К; если же h меньше λ, то Тс приблизительно равна 40 К.
Увеличение критических параметров, характеризующих сверхпроводимость, наблюдается также при введении сверхпроводника в стекла или волокнистые структуры, имеющие наноразмерные поры или каналы, диаметры которых менее λ. (Это, так называемый, конфайнмент — нахождение материала в условиях ограниченной
172