| (рис. 1). Он пришёл к выводу, что ртуть при Т = 4,15 К переходит в новое состояние, к-рое вследствие его необычных электрич. свойств может быть названо сверхпроводящим. Несколько позднее Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрич. сопротивление ртути восстанавливается при включении достаточно сильного магнитного поля (его наз. критическим магнитным полем Нк). Измерения показали, что падение сопротивления до нуля происходит на протяжении очень узкого, но конечного интервала темп-р.
Рис. 1. Зависимость сопротивления R от температуры Т для ртути (Hg) и для платины (Pt). Ртуть при Г=4,12К переходит в сверхпроводящее состояние. R0°c - значение R при О °С.
Ширина этого интервала для чистых образцов составляет 10-3-10-4 К и возрастает при наличии примесей и др. дефектов структуры.
Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии с наибольшей убедительностью демонстрируется опытами, в к-рых в сверхпроводящем кольце возбуждается ток, практически не затухающий с течением времени. В одном из вариантов опыта используются два кольца из сверхпроводящего металла. Большее из колец неподвижно закрепляется, а меньшее концентрически подвешивается на упругой нити таким образом, что когда нить не закручена, плоскости колец образуют между собой нек-рый угол. Кольца охлаждаются в присутствии магнитного поля ниже темп-ры Тк, после чего поле выключается. При этом в кольцах возбуждаются токи, взаимодействие между к-рыми стремится уменьшить первоначальный угол между плоскостями колец. Нить закручивается, а наблюдаемое постоянство угла закручивания показывает, что токи в кольцах являются незатухающими. Опыты такого рода позволили установить, что сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии меньше чем 10-2° ом см (сопротивление чистых образцов меди или серебра составляет ок. 10 9 ом см при темп-ре жидкого гелия). Однако сверхпроводник не является просто идеальным проводником, как это считалось ещё в течение более чем 20 лет после открытия С. Существование значительно более глубокого различия между нормальным и сверхпроводящим состояниями металла стало очевидным, после того как нем. физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд (1933) установили, что слабое магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника. Особенно важно, что это имеет место независимо от того, было ли поле включено до или после перехода металла в сверхпроводящее состояние. В отличие от этого, идеальный проводник (т. е. проводник с исчезающе малым сопротивлением) должен захватывать пронизывающий его магнитный поток. Это различие иллюстрирует рис. 2 (а, б, в), на к-ром схематически изображено распределение поля вблизи односвязного металлич. образца на трёх последовательных этапах опыта: а) образец находится в нормальном состоянии, внешнее поле свободно проникает в глубь металла; б) образец охлаждается ниже Тк, магнитное поле выталкивается из сверхпроводника (верхний рисунок), тогда как в случае идеального проводника распределение поля оставалось бы неизменным (нижний рисунок); в) внешнее поле выключается, при этом исчезает и намагниченность сверхпроводника. В случае идеального проводника поток магнитной индукции через образец сохранил бы свою величину, и картина поля была бы такой же, как у постоянного магнита.
Рис. 2. Распределение магнитного поля около сверхпроводящего шара и около шара с исчезающим сопротивлением (идеальный проводник): а) Т>Тк; б) Т<. Тк, внешнее поле Нвн/= 0; в) Т<ТК, НВн=0.
Выталкивание магнитного поля из сверхпроводящего образца (это явление обычно наз. эффектом Мейснера) означает, что в присутствии внешнего магнитного поля такой образец ведёт себя как идеальный диамагнепшк той же формы с магнитной восприимчивостью x=-1/4п(пи) В частности, если образец имеет форму длинного сплошного цилиндра, а внешнее поле Н однородно и параллельно оси цилиндра, то магнитный момент, отнесённый к единице объёма, будет равен М = = -Н/4п(пи). Это примерно в 105 раз больше по абс. величине, чем удельная намагниченность диамагнитного металла в нормальном состоянии. Эффект Мейснера связан с тем, что при Н < Нк в поверхностном слое сверхпроводящего цилиндра появляется круговой незатухающий ток, сила к-рого как раз такова, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в толще сверхпроводника. Опыт показывает, что в случае больших образцов слабое магнитное поле в условиях эффекта Мейснера проникает в металл на глубину б(дельта) ~ 10-5-10-6 см, именно в этом слое течёт поверхностный ток.
По своему поведению в достаточно сильных полях сверхпроводники подразделяются на две большие группы, т. н. сверхпроводники 1-го и 2-го рода. На рис. 3 и 4 в несколько идеализированной форме изображены кривые намагничивания М(Н), типичные для каждой из этих групп.
Рис. 3. Кривая намагничивания сверхпроводников 1-го рода.
Кривые относятся к случаю длинных цилиндрических образцов, помещённых в поле, параллельное оси цилиндра. При такой геометрии опыта отсутствуют эффекты размагничивания, и картина поэтому является наиболее простой. Начальный прямолинейный участок на этих кривых, где М = -Н/4 п(пи), соответствует инт |
