Асқын өткiзгiштiк. Физика, 10 сынып, қосымша материал.

Қосымша №2

Асқын өткізгіштік — кейбір өткізгіштерді белгілі бір алмағайып температураға (Та) дейін суыту кезінде олардың электрлік кедергісінің секірмелі түрде кенет нөлге дейін төмендеу құбылысы. Сынаптың температурасын Т = 4,15 К-ге төмендеткен кезде бұл құбылысты алғаш рет (1911) голланд физигі Х. Каммерлинг-Оннес байқаған. Ол кейін шекті температура кезінде күшті магнит өрісінде сынаптың электрлік кедергісінің қалпына келетіндігін де анықтаған (мұндағы На — алмағайып магнит өрісінің кернеулігі). Асқын өткізгіштің ішкі магнит индукциясы (В) 0-ге тең болады, яғни сыртқы магнит өрісі асқын өткізгіш ішіне өте алмайды. Бұл құбылыс Мейснер эффектісі деп аталады.

1967 жылы Дж.Бардин, Л.Купер, Дж.Шриффер (АҚШ) және Н.Н. Боголюбов (Ресей) Асқын өткізгіштіктің микроскопиялық теориясын жасады. Бұл теорияның негізіне спиндерінің таңбасы қарама-қарсы электрондар жұбы (Купер жұбы) алынған. Мұндай жұптың заряды 2 l-ге (мұндағы l — электрон заряды), спинінің мәні нөлге тең болады, әрі ол Бозе-Эйнштейн статистикасына бағынады. Асқын өткізгіштік құбылысы байқалатын металдарда жұптар бозе-конденсация құбылысына ұшырайды. Сондықтан купер жұптарының асқын аққыштық қасиеті болады. Сонымен асқын өткізгіштік электрондық сұйықтықтың асқын аққыштығы болып табылады. Асқын өткізгіштік практикада кеңінен пайдаланылады. 20 ғасырдың соңында керамикалық материалдардың жоғары температурадағы (77-100 К) асқын өткізгіштігін зерттеу бағыты қарқынды дамуда. Ал Қазақстанда асқын өткізгіштікті зерттеу ҚР ғылым академиясының Ядр. физ. ин-тында (ҚР ғылым академиясының корр. мүшесі Ә.Қ. Жетбаевтың жетекшілігімен) жүргізілуде.

Кейбір металлдар мен қорытпаларда температурасы бірнеше Кельвин болғанда электр кедергісі нольге айналады, яғни заттар төтенше өткізгіш (асқын өткізгіш) күйге өтеді. Бұл құбылыс байқалатын температураны критикалық температура деп белгілейді, ол көбінесе  болады.

Тәжірибе жүзінде асқын өткізгіштікті мынадай әдістермен алуға болады:

1) Жалпы электр тізбегіне асқын өткізгіш материалды қосамыз. Асқын өткізгіш күйге өткенде бұл материалда потенциалдар айырмасы нольге тең болады.

Асқын өткізгіштен алынған материалды шеңбер тәрізді етіп магнит өрісіне перпендикуляр қоямыз. Шеңбер температурасын  мәнін төмендетіп өрісті алып тастаймыз. Осының нәтижесінде шеңберде өшпейтін электр тогы индуцирленеді. Бұл шеңберде ток өте ұзақ циркуляция жасайды.

Асқын өткізгіштік құбылысын Голландия ғалымы Г.Камерлинг-Оннес ашқан.

Асқын өткізгіштерде электр кедергісі нольге тең болады және магнит өрісі асқын өткізгіш материалына өтпейді. Бұл құбылысты Мейсснер эффектісі деп атайды.

Сонда асқын өткізгіште магнит өтімділік нольге тең болады. (  ), оларды  диамагнетикке қосуға болады екен. Өте күшті магнит өрісі асқын өткізгішті құртады екен, бұл  мәнін критикалық индукция мәні деп атайды. Осыған сәйкес токтың  мәнін критикалық ток деп атайды.

Асқын өткізгіштік құбылысы макроскопиялық масштабта кванттық механикалық эффектінің байқалуын көрсетеді, бұл құбылыстың теорясын 1957жылы Дж.Бардин, Л.Кунер, Дж.Шриффер жасаған. Металлдағы электрондар Кулондық тебілу күшінен басқа тарту күшіне де еге болады, сонда электрондар

Өткізгіштің кедергісі К оның өлшемдері мен материалына төуелді екенін білеміз.

Өткізгіштің кедергісі оның температурасына тәуелді бола ма? Бұл сүраққа жауап беру үшін мынадай тәжірибені жасайық.

Спираль сияқты иілген темір сымды ток көзі жөне амперметрге косылган тізбекке тізбектей қосамыз (85-сурет).

Амперметрдің көрсетуін анықтап алып, спиральді шамның жалынына ұстап кыздырамыз. Спираль кызған сайын, амперметр тізбектегі токтың азайғанын көрсетеді.

Демек, кызғанда темір сымның кедергісі артады. Темір спиральді басқа металдан жасалған өткізгішпен ауыстыра отырып, ' кыздырған кезде барлық металдардың кедергісінің артатынын байқаймыз.

Кейбір таза металдардың кедергісі әжептәуір, ал корытпаларда кедергі аз артады. Температура артқанда, кедергісі ешкандай өзгермейтін арнайы қорытпалар да бар. Оларға константан мен манганин жатады. Оларды эталондарды, реостаттар мен басқа да аспаптарды дайындауға пайдаланады. Қыздырғанда, кедергінің өсу себебі өткізгіштің температурасы артқанда, кристалдык тордың түйіндеріндегі иондар тербелісінің күшеюі болып табылады. Нәтижесінде электрондар иондармен жиірек соқтығысады. Бүл олардың өткізгіштегі бағытталған қозғалысына кедергі жасайды, сондықтан кедергі артып, ток кемиді.

Өткізгіш кедергісінің температураға төуелділігі былай анықталады:

R = R₀ ( 1+αt)

мүндағы R— откізгіштің ГС-тағы кедергісі; R₀ — өткізгіштің 0°С-тағы кедергісі; t—температура; α—кедергінің температуралық коэффициенті. Ол откізгіш затының электрлік қасиеттерінің

температураға төуелділігін сипаттайды.

Асқын өткізгіштік деп таза металдардың (мысалы, мырыштың, алюминийдің, қалайының, сынаптың, қорғасынның) және бірқатар қоспалардың кедергісінің абсолют нөлге жақын тем-ператураларда кенет нөлге дейін төмендеу құбылысын айтады.

Аскын өткізгіштіктің үлкен практикалық мәні бар. Асқын өткізгіштік күйінде түйықталған өткізгіштегі ток күші, кедергінің болмауы салдарынан, шексіз ұзак уақыт бойы сақталады. 1925 жылы мыс сақинамен жасалған тәжірибеде тіпті 2,5 жыл өтсе де, сақинадағы ток күшінің ешқандай кемімегені байқалған.

Қазіргі таңда Күннің магнит өрісінен он мың есе күшті магнит өрісін беретін өте куатты асқын өткізгішті электр-магниттер жасалған.