file loc phone login_m arrow_left arrow_right author ca cat compl coms del down fav fav_del fav_m fav_m_del fb gp left like login mail od reply right search sort sort_down sort_m sort_up tw up view vk ya

Асқын өткiзгiштiк. Физика, 10 сынып, дидактикалық материал.


АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК

 1908 жылы Лейденский университетінің физика зертханасында Камерлинг-Оннес басшылығымен сұйық гелий алынды ( К). Осыдан бастап бұған дейін мүмкін емес температураларда, өте төменгі температураларда материалдардың қасиеттерін зерттеу жұмыстары басталды. Физиктерді металдардың меншікті кедергісінің температураға байланыстылығы өте қызықтырды. Камерлинг-Оннес сынаптың тәуелділігін зерттеді.

  1911 жылы К температурада сынаптың кедергісінің секірмелі түрде нөлге ұмтылатыны ашылды. Камерлинг-Оннес бұл құбылысты асқын өшкізгіштік деп атады. болғанда, меншікті кедергі , бірақ бұл ауысу бірқалыпты болу керек еді, ал мұнда секірмелі түрде, бірден ауысу болды. деген не? Шынында да кедергінің шекті мәні болуы қажет, бірақ өте аз кедергіні дәл өлшеудің керегі шамалы. 1959 жылы америка физигі Коллинз қорғасыннан жасалған асқын өткізгіштік контурдағы токты тудырушы магнит өрісі арқылы осы токтың өшуін өлшеді. Екі жарым жыл ішінде токтың өшуі болмады, осыдан деген қорытынды жасалды ( салыстыру үшін).

 Қазіргі уақытта асқын өткізгіштікке ие мыңға жуық заттар белгілі. Өткізгіштерде, мысалы , , асқын өткізгіштік құбылысы байқалмады. Сонымен қоса, ферромагнетиктері (, , ). бар қоспаларда да асқын өткізгіштік құбылысы байқалмады

 

Асқын өткізгіштердің негізгі қасиеттері

 Өздерінің қасиеттеріне байланысты асқын өткізгіштер бірінші текті (таза металдар) және екінші текті (қоспалар) болып екіге бөлінеді.

 1. Қалыпты күйден асқын өткізгіштік күйге өтудің критикалық температурасы (6.1-сурет). Әрбір асқын өткізгіштің өзіне ғана тән температурасы болады (6.1- кесте). Асқын өткізгіштік күйге өту болатын температуралық интервалдың ені бірінші текті асқын өткізгіштерде шамамен К және онда қоспалар мен дефектілерге байланысты артады.

2. -ның сыртқы магнит өрісі () шамасына тәуелділігі –көп болған сайын, сонша кем болады. (6.2-сурет).

Кейбір асқын өткізгіштерге арналған мен шамалары

6.1 кесте

заттар

, К

1,2

3,7

4,5

7,2

9,25

14,5

18,0

23,0

,

0,08

0,25

0,66

0,64

3,2

278

199

480

 

 

Бұл тәуелділіктен мынадай қорытынды шығады: магнит өрісінің кернеулігінің критикалық мәні () бар, ол асқын өткізгіштік күйді бұзады. (6.1 кестеде К

температурадағы мәндері берілген). Заттың асқын өткізгіштік күйден қалыпты күйге өтуін тудыратын

кернеулігі тең магнит өрісі критикалық өріс деп аталады. Берілген температурадағы анықтауға болатын теңдеу:

(6.1)

Мұндағы - температурадағы критикалық кернеулік, осы күйге өтудің критикалық температурасы.

 Асқын өткізгіштердегі болуы күшті электромагниттер жасауға қиындық тудырады. Асқын өткізгіш арқылы өтетін ток магнит өрісін тудырады, ол сыртқы өріс сияқты асқын өткізгіштік күйді бұзады.. критикалық ток яғни кернеулігі тең магнит өрісін тудыратын ток. көп болған сайын, -да сонша артады.

 3. Асқыш өткізгіш –идеал диэлектрик болып табылады. 1933 жылы Мейсснер және Оксенфельд асқын өткізгіштердің бірден-бір фундаментальды қасиеті – асқын өткізгіштен магнит өрісін итеріп тастау құбылысы (Мейсснер эффектісі). Бұл сыртқы өріс болған кезде асқын өткізгіштің идеал диэлектрик екендігін көрсетеді.

 Ары қарай, Мейсснер эффектісі болған кезде, асқын өткізгіштік сыртқы қабатында (қалыңдығы 100–1000 Å ) тұйық өшпейтін ток индукцияланады және осы токтың магнит өрісі асқын өткізгіш қабатындағы сыртқы магнит өрісін компенсациялауға жеткілікті болады. Магнит өрісінің өту тереңдігі дегеніміз магнит өрісі «е»-есе азаятын қабат қалыңдығы.

 4. Асқын өткізгіштікке өту (және керісінше) – екінші реттік фазалық ауысу. Металдардың жылу сиымдылығы тор мен электрондардың жылу сиымдылықтарының қосындысынан тұрады. Өте төмен температураларда :, . Асқын өткізгіштердің жылу сиымдылықтарын тура өлшеулер және болғанда, асқын өткізгіштердің жылу сиымдылығының секірмелі түрде олардың қалыпты күйдегі мәндерінен 2-2,5 есе артатынын көрсетті. (6.4-сурет).

 Бұл кездегі жылу алмасу . Бұл 2-ші реттік фазалық ауысулардың классикалық сипаттамасы. жылу сиымдылығы асқын өткізгіштер мен қалыпты металдардағы сияқты болады: . Сондықтан, секірмелі түрдегі өзгеріс өзгерісіне байланысты, яғни өткізгіш электрондарда қандай да бір қайта құрулар болады.

 5. Изотоптық эффект. Бұл эффектінің ашылуы (Максвелл, Рейнольдс, 1950 ж.)асқын өқткізгіштік теориясын құруда басты орын алады. Әртүрлі асқын өткізгіштердің изотоптарын зерттеулер мен изотоптар массалары арасындағы байланыстың бар екендігін көрсетті:: , мұндағы – изотоптың атомдық массасы.

 Изотоп массасы- кристалл торының сипаттамасы, ол оның қасиеттеріне әсер етуі мүмкін. Мысалы, тордың қалыпты тербелістерінің жиілігі . Бірақ асқын өткізгіштер – металл электрондарының қасиеттері, ендеше кристалдық тор (атомдар массалары) өткізгіш электрондарға әсер етеді.

 

Асқын өткізгіштік табиғаты.

БКШ-теориясының сапалық жақтары

 

 Асқын өткізгіштік құбылысы 1911 жылы ашылды, ал оны толық түсіндіру 1957 жылы ғана іске асты. Үш америка ғалымдары Бардин, Купер, Шриффер асқын өткізгіштіктің тізбекті микроскопиялық теориясын ойлап тапты. Бұл теорияның математикалық құрылымы өте күрделі, сондықтан біз тек қана БКШ деп аталатын теорияның негізгі сапалық жақтарын ғана қарастырамыз.

 Теорияның негізгі мазмұны – «куперов жұп»-тары деп аталатын жұптардың пайда болуы. Төменгі температуралар мен белгілі бір жағдайларда электрондар бір-біріне тартылып (бір аттас зарядтар!), жұптар құрады екен. Тартылу табиғаты қысқаша мынадай: Металда қозғалып жүрген электрон торды поляризациялайды (тор құраушы оң иондарды өзіне тартады). Бұл жердегі оң зарядтар тығыздығы артады және бұл эффективті оң зарядты одан 1 мкм аралықта тұрған басқа электрон сезеді де, осылай «куперов жұбы» пайда болады. Егер электрондар спиндері антипараллель болса, онда бұл тартылыс өте күшті болады, яғни жұптардың пайда болуына электростатикалық күштермен қоса, алмасу күштері де қатысады. Жұптардың пайда болуына неліктен төменгі температура керек екені белгілі: электронға тартылу күшінің әсерінен ауыр ионның ығысуы иондар тербелісінің кіші амплитудаларында жақсы көрінеді. Жеңіл иондардың ығысуы маңыздырақ болатыны белгілі. (изотоптық эффект).

 Асқын өткізгіштік кванттық эффекті, бірақ макроскопиялық масштабта көрінеді. Кванттық макроскопиялық эффект- өшпейтін асқын өткізгіш ток - болу үшін өте көп ток тасушылар, яғни электрондар бір ғана толқындық функциямен сипатталуы керек. Ал толқындық функция біреу болады, егер барлық электрондар бір күйде болса. Бірақ электрондар, фермиондарға жатады, олар Паули принципіне бағынады. Жұпталу туралы идея жағдайды түбімен өзгертеді. Спиндері қарама-қарсы электрондар жұптасқанда спині нөлге тең бозондар пайда болады да, куперов жұптарына Паули принципі қолданылмайды.

 Куперов жұптары ең төменгі (негізгі) күйлерде жинақталады. Электрондар жұптары арасындағы байланысты бұзу үшін, яғни оларды қалыпты жағдайға ауыстыру үшін қалыпты күй мен асқын өткізгіштік күйді бөліп тұрғанқан тиым салынған зона енінен (-ны сонымен қоса, энергетикалық саңылау деп те атайды) кем емес энергияны жұмсау қажет. (4.5 а- сурет). Кванттық тіл бойынша ионның ығысуы дегеніміз – фонон шығару. Сондықтан да, куперов жұптары электрон-фонон арасындағы өзара әсерлесулер нәтижесінде болады. Бұл өзара әсерлесулер энергиясын есептеу болған кездегі тиым салынған зонаның еніне алып келеді:

 , (6.2)

мұндағы – ауысудың критикалық температурасы; эВ. Температура артқанда кемиді және болғанда, жоғалады.

 Шынында да, кристалда орын ауыстыратын және өте төменгі температурада фонондармен өзара әсерлесетін Ферми деңгейіне жақын орналасқан электрондар ғана болуы мүмкін. (6.5 б- суретті қара).

 Кванттық теория бойынша асқын өткізгіштегі магнит ағыны квантталуы керек (бұл 1961 жылы дәлелденген); магнит ағынының кванты (магнон):

  (Вб), (6.3)

Мұндағы е – электрон заряды, h –Планк тұрақтысы.

 Асқын өткізгіштегі саңылаудың болуын өте қарапайым түсіндіруге болады: электрондар жұптары энергияға ие бола алмайды, сондықтан төмен энергиялары бар фонондарда шашырамайды және металда кедергісіз орын ауыстырады. артқанда, жылулық тербелістер амплитудалары да артады, бұл электрондар арасындағы тартылысты кемітеді, яғни ол кемуіне алып келеді.

 Асқын өткізгіштерде энергетикалық саңылаулардың барлығын эксперимент жүзінде 1960 жылы Живер дәлелдеді. Ол К температурада қалыпты және асқын өткізгіш металдар контактісіндегі туннельді токты зерттеді. жүйесі, мұндағы қалыпты металл (К), ал пленкасы (К) асқын өткізгіш ретінде алынды. диэлектрик пленкасының қалыңдығы . Контактінің вольтамперлік сипаттамасы бар екендігін көрсетті: Электрондар энергиясы -дан кіші болғанда контакті арқылы ток жүрмейді:.

 Контакті арқылы өтетін токты қарастырайық.

 Қалыпты металл ()мен асқын өткізгіш () бір-біріне жақындағанда контактілі потенциалдар айырмасы пайда болады, ол металдағы жеке электрондар үшін Ферми деңгейін теңестіреді және асқын өткізгіш пен металл жұбына арналған (6.7 а-сурет).

 Контактіге біраз потенциалдар айырмасын берейік: «+»-тен асқын өткізгішке (6.7 б-сурет). -дегі электрондар энергиясы артады, ал асқын өткізгіштегі кемиді. Бірақ қалыпты металдағы қалыпты электрондардың сәйкес минимал энергиясына теңескенге дейін ток болмайды. Тек сонда ғана электрондар -нен -ке ауыса алады, себебі олар үшін енді бос күй болып табылады. ары қарай артқанда ток бірден артады, себебі энергия артқан сайын артады (6.6-сурет). -ке теріс потенциал берейік. Ток тағы да болмайды, себебі куперов жұптары металға өте алмайды (онда асқын өткізгіштік күй жоқ). Қалыпты металдағы Ферми деңгейі шамасына азайғанда ғана ток жүреді: куперов жұптары бұзылады да, бір электрон -ге өтеді, ал екіншісі сол металда қалыпты электрондарға арналған бос деңгейлердің біреуіне көтеріледі (6.7 в –суретті қара). Энергияның сақталу заңының «жұмысына» көңіл бөлу керек: электрон жұптарының қорытқы энергия өзгерісі нөлге тең.

 Критикалық магнит өрісінің барлығы былай түсіндіріледі. Магнит өрісінің артуы жұптардың қозғалыс жылдамдықтарын арттырады. Жұптардың жылдамдықтары осы кристалдағы фонондардың таралу жылдамдықтарына тең болған кезде электрондар жұптары фонондармен алмасып үлгермейді де, тартылу эффектісі жойылады, куперов жұбы бұзылады.

 

Джозефсон эффектісі

 

 1962 жылы ағылшын физигі Джозефсон екі ерекше эффектінің болуы мүмкін екендігін жорамалдады. Кейіннен олар тәжірибе жүзінде табылды.

 Джозефсонның стационар эффектісі. Екі асқын өткізгіштен тұратын туннельдік контакті арқылы тұрақты токтың өтуі мүмкіндігі. Олар қалыңдығы -тең жұқа диэлектрик қабатымен бөлінген. Шынында да, бұл кезде потенциалдар айырмасы керегі жоқ!

 Электрон күйін толқындық функциямен сипаттауға болады: , мұндағы – бірінші металдағы толқындық функцияның фазасы ; екінші металдағы . Барлық жұптар бірдей күйлерде болатындықтан , бірінші металдағы барлық жұптар үшін , ал екіншідегі барлық жұптар үшін . Асқын өткізгіштердің осындай қасиеті фазалық когеренттілік деп аталады. Екі асқын өткізгіш арасын түйістірсек, онда оларда фазалар айырмасы болады және токтың тығыздығы мынаған тең:

  (6.4)

 Осы құбылыс толқындық функция фазасының фундаментальдылығын дәлелдейді. Бұл толқындық функцияның фазасымен анықталатын макроскопиялық құбылысқа жасалған ең алғашқы эксперимент.

 

 

 

 Джозефсонның стационар емес эффектісі

 Егер екі асқын өткізгіш контактісіне тұрақты потенциалдар айырмасын берсек, онда контактіден электромагниттік толқындар сәулеленеді. Жұптар энергиясы контакті арқылы өткенде артады, мұндағы – берілген потенциалдар айырмасы. Асқын өткізгіш арқылы ток өткенде энергия қажет емес және ол электромагниттік толқындар түрінде шығарылады (суретті қара). .

 Мысалы, болғанда, Гц.

 Джозефсон сәулеленуін алғаш рет америка (Живер және басқалар, сәулелну қуатыВт) және Харковта советтер одағы ғалымдары тәжірибе жүзінде бақылап, тіркеді. Бұл эксперименттер БКШ теориясын дәлелдеді: 1) электрондар жұптасады;

  2) куперов жұптары бір кванттық күйді толтырады.

 Ескерту: Электромагниттік сәулелену кернеу бермеген кезде де пайда болуы мүмкін, егер стационар эффектіде ток қандай да бір критикалық мәннен артып кетсе. Бірақ бұл кезде контактіде кернеудің түсуі болады, ол стационар емес эффектіге алып келеді.

 

Жоғары температуралы асқын өткізгіштік

 

 1986 жылдың сәуірінде Мюллер мен Беднорцтың жүйесінде жоғары температуралы асқын өткізгіштіктің болу мүмкіндігі» деген мақаласы шықты. Онда К температурада керамикада кедергінің бірден түсуі туралы жазылған. Бұған дейін көптеген зертханалар К максимал мәнді көп жылғы эксперименттер арқылы ала алмаған еді. Ең таң қалдыратыны бұл жүйе кәдімгі температурада керамикалық диэлектрик болатыны.

 

 6.8-сурет Иттриевті керамикада жоғары температуралы асқын өткізгіштіктің бар екендігін көрсететін график

 1987 жылы асқын өткізгіштік керамикалар және анықталды (К). Әртүрлі керамикалардың асқын өткізгіштігін анықтауға арналған зерттеулер кең ауқымда басталып кетті. 1987 жылдың наурызында Хьюстон университетінде иттриевті керамикада К температура алынды. (6.8-сурет). Бұл құбылыс жоғары температуралы асқын өткізгіштік деп аталды. Оның механизмі әлі күнге дейін ашылған жоқ. БКШ- теориясы беретін максимал температура К. Жоғары температуралы асқын өткізгіштікті практика жүзінде қолдану мүмкін емес, себебі барлық керамикалар морт сынғыш, механикалық беріктілігі аз. Ғылым мен техниканың даму тарихы бұл құбылыстың механизмінің ашылып, оны практика жүзінде қолданатын әдістің пайда болатынына көзімізді жеткізді.



Толық нұсқасын 30 секундтан кейін жүктей аласыз!!!


Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз:
Facebook | VK | WhatsApp | Telegram | Twitter

Қарап көріңіз 👇



Пайдалы сілтемелер:
» Туған күнге 99 тілектер жинағы: өз сөзімен, қысқаша, қарапайым туған күнге тілек
» Абай Құнанбаев барлық өлеңдер жинағын жүктеу, оқу
» Дастархан батасы: дастарханға бата беру, ас қайыру

Соңғы жаңалықтар:
» Грузия қазақстандықтарға білім грантын бөлді
» Қазақстандықтар шетелге қай мезгілде жиірек шығады
» Freedom bank-те керемет акция! 1000 ₸ кэшбек сыйлайды
Пікір жазу