Сверхпроводники в магнитном поле

Как ранее отмечалось [5], при некоторой критической температуре T _к происходит переход многих проводников в сверхпроводящее состояние. Пусть такой проводник цилиндрической формы помещен во внешнее магнитное поле, линии напряженности которого параллельны оси образца (рис. 56). Как показывает опыт, критическая температура тем ниже, чем больше напряженность этого поля. На рис. 57 показана зависимость величины критической напряженности магнитного поля H _к, при которой происходит переход образца из нормального в сверхпроводящее состояние, от критической температуры T _к.

Как видно из рисунка, при H > H _к и T > T _к образец находится в нормальном состоянии, а при H < H _к и T < T _к − в сверхпроводящем. Представленная зависимость хорошо описывается формулой

.

При переходе образца, находящегося во внешнем магнитном поле, в сверхпроводящее состояние, либо при помещении во внешнее магнитное поле образца, уже находящегося в этом состоянии, происходит вытеснение магнитного поля из образца. Вытеснение магнитного поля из образца, находящегося в сверхпроводящем состоянии, называется эффектом Мейснера. Причина этого явления состоит в том, что на поверхности образца возникают токи, магнитное поле которых компенсирует внешнее магнитное поле внутри образца. Эти токи текут в тонком поверхностном слое сверхпроводника. Толщина этого слоя составляет 10^{− 8}–10^{− 7} м. На такую же глубину проникает в сверхпроводник и магнитное поле. На рис. 56 показаны такие токи, текущие по поверхности цилиндрического образца. Применяя выражение (3.27), получаем, что в сверхпроводнике

т. е. J = − H. Следовательно, магнитная восприимчивость сверхпроводника χ = J/H = − 1, а его магнитная проницаемость μ = 0. С формальной точки зрения сверхпроводник можно рассматривать как идеальный диамагнетик.

Существуют сверхпроводники первого рода и сверхпроводники второго рода. У сверхпроводников первого рода переход цилиндрического образца, находящегося в продольном магнитном поле (рис. 56), в сверхпроводящее состояние происходит сразу во всем объеме. Именно таким сверхпроводникам соответствует рис. 57. У сверхпроводников второго рода кроме сверхпроводящего и нормального состояний существует еще смешанное состояние (рис. 58). В этом состоянии объем образца состоит из сверхпроводящих областей и областей, имеющих обычную проводимость. Из областей с обычной проводимостью магнитное поле не вытесняется. Пусть цилиндрический образец, являющийся сверхпроводником второго рода, помещен в продольное внешнее магнитное поле (рис. 56). В этом случае области нормальной проводимости представляют собой трубки, вдоль которых проходят линии магнитного поля, параллельные линиям внешнего магнитного поля. Толщина трубок имеет порядок 10^{− 7} м. Внутри трубок циркулируют круговые токи, охватывающие сердцевину трубки.

Объяснение свойств сверхпроводников может быть дано в рамках квантовой физики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ильин, В.А. История физики. – М.: Издательский центр «Академия», 2003.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: Кн.2. Электричество и магнетизм. – М.: Наука. Физматлит, 1998 (и более поздние издания).

3. Андреев, А.Д. Физика. Электростатика: конспект лекций / А.Д. Андреев, Л.М. Черных; СПбГУТ. – СПб., 2004.

4. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.: Высшая школа, 1989 (и более поздние издания).

5. Андреев, А.Д. Физика. Электрический ток: конспект лекций / А.Д. Андреев, Л.М. Черных; СПбГУТ. – СПб., 2005.

6. Андреев, А.Д. Физика. Механика: конспект лекций / А.Д. Андреев, Л.М. Черных; СПбГУТ. – СПб., 2004.

7. Парселл, Э. Электричество и магнетизм. Т. 2. – М.: Наука, 1975.

Выражаем глубокую признательность нашим коллегам по кафедре физики, особенно доценту И.Я. Котляр, за ценные замечания, высказанные
ими в ходе разработки настоящего методического пособия.
Выражаем также благодарность студенту факультета СС, СК и ВТ Д.С. Соседову за техническую помощь в создании иллюстративного
материала для конспекта лекций в электронном виде.

содержание

Ввведение. 5

1. Магнитное поле в вакууме. 6

1.1. Взаимодействие токов. Магнитная индукция. 6

1.2. Закон Био–Савара–Лапласа. Принцип суперпозиции в магнетизме. 9

1.3. Применение закона Био–Савара–Лапласа. Магнитное поле
прямого тока. 10

1.4. Применение закона Био–Савара–Лапласа. Магнитное поле
кругового тока. 11

1.5. Магнитное поле, создаваемое движущейся заряженной частицей. 13

1.6. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции
(закон полного тока) 16

1.7. Применение теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции.

Магнитное поле внутри прямого проводника с током.. 18

1.8. Магнитное поле соленоида. 19

1.9. Магнитное поле тороида. 22

2. Действие магнитного поля на заряды и токи. 24

2.1. Сила Лоренца. 24

2.2. Эффект Холла. 26

2.3. Сила Ампера. Взаимодействие проводников с током.. 28

2.4. Прямоугольный контур с током в однородном магнитном поле. 30

2.5. Контур с током в неоднородном магнитном поле. 33

2.6. Работа, совершаемая при перемещении проводника с током
в магнитном поле. Магнитный поток. 35

3. Магнитное поле в веществе. 39

3.1. Классификация магнетиков. Магнитные свойства атомов. 39

3.2. Парамагнетики. 42

3.3. Диамагнетики. 44

3.4. Характеристики магнитного поля в магнетиках. 47

3.5. Ферромагнетики. 50

3.6. Сверхпроводники в магнитном поле. 55

Литература. 57

Александр Давидович Андреев

Леонид Михайлович Черных

ФИЗИКА

Магнетизм

Конспект лекций

Редактор И.И. Щенсняк