Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Носіями зоря-да в металах є електрони, слабо пов'язані з іонами кристалічної решітки металів, - вільні електрони. На основі цього подання створена класична електрон-ва теорія електропровідності металів (П.Друде, Х.Лоренц), а згодом зонна теорія електропровідності (Ф. Блох, Л.Брюллюен). Для з'ясування природи носіїв були пред-прийняті багато експерименти. К.Рікке з'ясував роль іонів в процесі електропровідності. Протягом року електричний струм пропускався через три послідовно з'єднаних ци-Ліндрен, виготовлених з різних металів. Перенесення віщо-ства (зміна маси циліндрів, проникнення іонів одно-го металу в інший) ні виявлено. Це свідчило про те, що іони в перенесенні заряду не беруть участь. Єдиними частками, що переносять заряд, могли бути електрони, відкриті Д.Томсон. Для перевірки цього припущення поруч фізиків була запропонована ідея експериментів з викорис-танням інерції носіїв. Метал повинен бути розігнаний до деякої швидкості, а потім різко зупинений. При цьому носи-ки заряду по інерції повинні були продовжувати рухатися і у зовнішній ланцюга проходив електричний струм, що співпадає по напрямку зі швидкістю носіїв при їх позитивному заряді і спрямований проти швидкості - при негативному. Експерименти, що базуються на цій ідеї, були здійсненням-ни російськими фізиками С.Л.Мандельштамом і Н.Д. Папалексі, американським фізиком Р.Толменом і англійським Б.Стюартом, Результати всіх дослідів свідчили про негативний знак носіїв. У дослідах Р.Томсона і Б.Стюарта крім напрямку струму було виміряно проходить у зовнішній ланцюга в процесі гальмування заряд, що дозволило обчислити питомий заряд носіїв. Для всіх металів резуль-тати виявилися практично однаковими. Певний в цих дослідах питома заряд носіїв виявився дуже близький до питомій заряду вільного електрона, визначеним неза-довго до цього Д.Томсон. Це остаточно переконало фізиків у тому, що носіями заряду в металах є електрони.
Класична електронна теорія електропровідності ме-Таллі вважає, що при утворенні кристалічної решітки металу валентні, слабо пов'язані з ядрами електрони отри-ються від атомів і можуть переміщатися за обсягом металу. У вузлах кристалічної решітки розташовуються іони металу, а вільні електрони хаотично рухаються між ними, утворюючи своєрідний електронний газ, який теорія вважає похо-жим за властивостями на одноатомний ідеальний газ. Електрони стикаються з іонами, утворюється термодинамічне одно-весіе. При накладенні зовнішнього електричного поля в металі крім хаотичного теплового руху електронів виникає їх впорядкований рух - електричний струм. Розігнані полем електрони стикаються з іонами кристалічної ре-шеткі. За рахунок цих зіткнень виникає електричне со-опір металів. Віддана електронами іонів в процес-сах зіткнень енергія йде на нагрівання речовини. Клас-сических електронна теорія добре пояснює виконання для металів законів Ома і Джоуля-Ленца, зв'язок між елек-тропроводностью і теплопровідністю металів, на качест-венном рівні пояснює температурну залежність опору-тивления металів. Разом з тим при поясненні деяких явищ класична електронна теорія відчуває важко-сті: вона завищує довжину вільного пробігу електрона, прохо-димого їм без зіткнень з іонами, дає істотно зави-шенную оцінку внеску електронного газу в теплоємність ме-талію (парадокс теплоемкостей).
Це і ряд інших обставин змусили фізиків отка-тися від багатьох класичних уявлень і вдатися до квантовомеханічним уявленням. На цій основі була створена перша квантовомеханічна модель електропровідності твердих тіл, що отримала назву зонної теорії електропровідності. В рамках цієї теорії багатоелектронних заду-ча руху і взаємодії з гратами зводиться до задачі про рух одного електрона в зовнішньому періодичному полі - полі всіх ядер і електронів. Зонна теорія успішно справи-лась із завданням класифікації твердих тіл на діелектрики, провідники і метали. Вирішила багато завдань, з якими не впоралася класична теорія. Разом з тим ця теорія, як і класична електронна теорія, не враховує взаємодії електронів між собою, що, природно, не дозволяє теорії пояснити ефекти, що базуються на взаємодії електронів. Зокрема, зонна теорія не пояснює явища надпровідності, при якому перенесення зарядів осуществля-ється не поодинокий електронами, а так званими спарений-ними куперовскими електронами.
У 1911 р голландський фізик Х.Каммерлінг-Оннес виявив, що при температурі ТС = 4,1К ртуть переходить в новий стан, в якому у неї відсутня електричний опір (рис.).
Каммерлінг-Оннес описував свої результати так: «При 4,3К опір ртуті зменшується до 0,084 Ом, що со-ставлять 0,0021 від значення опору, яке мала б тверда ртуть при 0 ° С. Виявлено, що при ЗК опір падає нижче 3 * 10 -6 Ом, що становить одну десятимільйонну від значення, яке було б при 0 ° С ». Покращуючи дозвіл вимірювальної системи, Каммерлінг-Оннес не зміг помітити відмінності опору ртуті при цих температурах від нулі-вого значення. Він назвав звернення в нуль опору деяких металів надпровідність. Температуру Тс. нижче якої спостерігається перехід в надпровідний стан, прийнято називати критичною. Пізніше було виявлено, що опір ртуті відновлюється при Т<Тс в сильном магнитном поле.
По-іншому поводяться квантові частинки з цілим спіном - бозони. Для них принцип заборони Паулі не працює і при низькій температурі. Все бозе-частинки системи можуть сконден-сіроваться на найнижчому рівні. Якщо енергетичний спектр збуджень такої системи задовольняє певним ус-ловію, то рух бозе-частинок при слабких возбуждениях (низькі температури, слабкі електричні та магнітні поля і т.д.) виявляється бездіссіпатівним (відбувається без опору-тивления).
Об'єднання електронів в пари, які мають вже цілий спін, могло б привести до виникнення надпровідності. Об'єднатися в пару електронів можливо лише при взаємодії-дії цих електронів з позитивними іонами решітки. Якщо один з електронів, притягаючи позитивні іони ре-шеткі, деформує її, то другий електрон, прітянувшійся до тієї ж області деформації, як би злучається з першим. В результаті між двома електронами виникає тяжіння за допомогою так званого обміну фотонами - квазічастинками, що описують коливання кристалічної решітки. Теорія освіти електронних пар за допомогою електрон-фотонного взаємодії і була побудована Бардіним, Купе-ром, Шиффер (теорія БКШ). За теорією БКШ, електрони, що утворюють так звану куперовской пару, мають проти-воположние спини, імпульси електронів, складових пару, протилежні.
Правильність основних положень теорії БКШ була під-підтверджені в 1961 р квантуванням магнітного потоку в експери-ріментах Дивера-Феербенка і Долла-Небаура. Зразки з надпровідників в формі тонкостінних порожнистих циліндрів охолоджувалися нижче Тс в однорідному магнітному полі, направ-ленном уздовж осі циліндра. Після виключення поля вимірювався магнітний потік, захоплений сверхпроводящим циліндром. Виявилося, що захоплений потік квантів, причому квант потоку обернено пропорційний заряду 2е, тобто дійсно надпровідний стан пов'язаний з електронними куперовскими парами.
Сверхпроводниками виявилися багато металів і їх спла-ви. Найбільше Тс виявилося у з'єднань ніобію Nb3 Sn - 18 K, Nb3 Gе - 23К).
Хоча відкриття високотемпературної надпровідності призвело до різкого збільшення критичної температури, але Тс все ще залишається надто низькою, щоб на практиці ис-користувати надпровідні лінії електропередач, не маю-щие теплових втрат. Проте, практичні застосування надпровідників, розпочаті ще для звичайних, з відкриттям ви-сокотемпературних розширюються. Так, надпровідники ши-роко використовуються для створення сильних магнітних полів. Магнітні поля, створені електромагнітами з обмотками з високотемпературних надпровідників, дозволили впритул підійти до здійснення керованої реакції термоядерного синтезу. Високотемпературні надпровідники використовуються для створення нових швидкодіючих елементів обчислювальні-котельної техніки, приладів, які реєструють електромагніт-ве випромінювання і ін.