Материал: Физика металлов и дефекты кристаллического строения

сплава в сверхпроводящее состояние содержит плотность элек­ тронных состояний на уровне Ферми N (ЕФ) и потенциал элек- трон-решеточного взаимодействия U> который может быть оце­ нен из электрического сопротивления. Согласно теории БКШ

Гкр= 1,140 exp £ [/w (£ф) ] '

(0 — температура Дебая; потенциал U соответствует притяже­ нию: U_> 0). Расчет по этой формуле дает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными для Гкр.

Таким образом, если проводник обладает нормальной прово­

При нагревании такого проводника от указанной температуры достаточно небольшого теплового возбуждения, чтобы часть электронов перешла на свободные уровни за пределами сферы Ферми (см. гл. 3.2) и чтобы в нем появилось сопротивление гт (см. гл. 8 .2 ).

Если мы имеем дело со сверхпроводником, то этого не проис­ ходит. Согласно теории БКШ в сверхпроводнике при Т = 0 К в основном состоянии имеются занятые электронные уровни как выше, так и ниже поверхности Ферми. Однако хотя и имеются при Т = 0 К занятые квантовые состояния с энергией, большей Етах, но под воздействием притяжения полная энергия электро­ нов в этом состоянии меньше энергии Ферми Етах. Поэтому та­ кие состояния по теории БКШ также включаются в основное со­ стояние, так как ширина энергетической щели пропорциональна числу состояний, участвующих в ее образовании. В связи с тем, что при Т Ф 0 К занятые уровни расположены ниже поверхно­ сти сферы Ферми, тока нет. При нагревании до температуры Гкр тепловая энергия электронов будет повышаться, и ширина энер­ гетической щели вследствие переходов электронов с внутрен­

определяет, что все квантовые состояния в обычном проводнике

ческим спектром с «подвижной» щелью, процесса рассеивания, ограничивающего электропроводность, наблюдаться не будет, даже при наличии таких рассеивателей электронов, как фононы. Поэтому сопротивление вплоть до Ткр можно не учитывать. Теп­ ловая энергия, равная ширине энергетической щели, когда fi(aKb= E gi начинает разрушать электронные пары и образовы­ вать отдельные электроны или электроны и дырки, которые пе­ реходят с основного уровня сверхпроводящего проводника на возбужденные уровни над щелью. При дальнейшем нагревании сверхпроводящее состояние исчезает, и с повышением темпера­ туры сопротивление возрастает, как в обычных проводниках.

Использование сверхпроводимости позволяет получать боль­ шие технико-экономические выгоды. Сверхпроводники широко применяются при изготовлении сверхчувствительных приборов, ЭВМ и т. д. Исключительно малое сопротивление материалов в сверхпроводящем состоянии позволяет получать огромные токи от источников очень малых напряжений и пропускать большие токи при полном отсутствии потерь на джоулево тепло. Так, на­ пример, использование сверхпроводников для изготовления со­ леноидов позволяет при пропускании через них больших токов получать сильные магнитные поля. Такие соленоиды не рассеи­ вают мощности, а в их обмотках не выделяется тепло. В на­ стоящее время применяют устройства с напряженностью магнит­

с напряженностью до 6 • 106 А/м (—7• 104 Э).

Сильный диамагнетизм сверхпроводников создает возмож­ ность использования их для изготовления деталей криотурбоге­ нераторов, позволяет создавать устройства для удерживания груза в пространстве при помощи магнитного поля, изготавли­ вать подшипники без трения для конструкций с вращающимися телами. Разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями делает возможным создание переключающих устройств, называемых криотронами, а также изготовление элементов па­ мяти счетно-решающих устройств.

Глава 9 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Раздел физики, изучающий взаимодействие между электри­ ческими токами, между токами и телами, между магнитами на­ зывается магнетизмом. В настоящее время вопросам теории и практики магнетизма посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. В данной главе рассмат­ риваются только магнитные свойства металлов и основные све­ дения из теории магнетизма, относящиеся в первую очередь к ферромагнетизму и в меньшей степени к диа- и парамагне­ тизму. Более обширные сведения по магнетизму можно полу­ чить в специальной литературе, а также из работ, приведенных в Указателе литературы.

9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО МАГНЕТИЗМУ

Магнетизм есть особая форма материального взаимодей­ ствия, возникающая между движущимися электрически заря­ женными частицами. Передача магнитного взаимодействия, реа­ лизующая связь между пространственно разделенными телами, осуществляется магнитным полем.

Если при наложении на изотропное тело объемом V однород­ ного магнитного поля с напряженностью Я и индукцией В между телом и полем возникают силы взаимодействия, то гово­ рят, что тело намагнитилось. Вокруг него создается магнитное поле, а само тело имеет два магнитных полюса: северный и южный. Полюсы взаимодействуют друг с другом. Сила взаимо­ действия полюсов пропорциональна их зарядам и обратно про­ порциональна расстоянию в квадрате между ними. За единицу магнитного заряда принимается такой заряд, который на рас­ стоянии 1 см в пустоте отталкивает равный себе по величине заряд того же рода с силой в 10~5 Н.

Магнитное поле в каждой точке пространства характери­ зуется особой величиной, называемой напряженностью магнит­ ного поля (Н). За единицу напряженности магнитного поля при­ нимается напряженность поля единичного магнитного заряда на расстоянии 1 см от него. В международной системе единиц. (СИ) напряженность магнитного поля имеет размерность ампер на метр (А/м), а в СГС измеряется в эрстедах: 1 Э = 79,6 А/м.

Для описания магнитных свойств тела вводится характери­ стика, называемая интенсивностью намагничивания, или проста

намагниченностью, под которой понимается предельное отноше­ ние магнитного момента некоторого тела объемом V к этому объему, когда последний стремится к нулю:

За единицу магнитного момента принимают магнитный мо­ мент такого магнита, для поворота оси которого на 90° от на­ правления вектора напряженности поля в 10~5 А/м требуется затратить работу, равную 10“ 7 Дж.

М. Фарадеем было введено понятие о замкнутых линиях ин­ дукции. Направление и концентрация линии индукции позво­ ляют определять направление и величину магнитного потока. В соответствии с теоремой Гаусса полное число линий индук­ ции, проходящих нормально через некоторое сечение, назы­ вается магнитным потоком в этом сечении. Плотность магнит­ ного потока, или магнитная индукция, равна потоку, проходя­ щему через элемент поверхности, площадь которого равна единице:

принят гаусс.

Магнитная индукция, напряженность и намагниченность свя­ заны между собой следующим выражением:

В = Я + 4nj.

Намагниченность и индукция возрастают с увеличением напря­ женности поля, пока при достаточно сильном поле не достигнут порога насыщения. Предел В — Н = 4я/ при насыщении обо­ значается символом Bs и соответствует намагниченности насы­ щения / s, которая при Т = 0 К обозначается символом Jo.

Процесс намагничивания тела во внешнем магнитном поле можно изобразить в виде кривой, отражающей зависимость на­ магниченности или магнитной индукции в образце от напря-