Все вещества можно разделить на три группы в зависимости от их способности проводить электрический ток: проводники, полупроводники и изоляторы. В этой классификации основное внимание уделяется проводникам, которые обладают наибольшей проводимостью и способны передавать электрический ток с минимальным сопротивлением.
Электрическое сопротивление материалов зависит от их структуры и состава. В металлах, например, проводимость обеспечивается наличием свободных электронов, которые могут перемещаться по решетке атомов под воздействием электрического поля. Сопротивление материала выражается через его сопротивление R и зависит от температуры, материала и геометрии проводника. В классическом понимании, сопротивление с увеличением температуры обычно возрастает, так как атомы решетки начинают сильнее взаимодействовать с движущимися электронами, создавая сопротивление их движению.
К проводникам относятся те материалы, которые обладают достаточно высокой подвижностью зарядов, что позволяет им проводить электрический ток. К основным проводникам относят металлы и сплавы, такие как медь, алюминий, серебро и золото. Эти материалы имеют свободные электроны, которые могут двигаться по решетке атомов.
Особенности проводимости металлов заключаются в том, что электроны ведут себя как газ, перемещающийся через решетку атомов. Ток в металле возникает, когда электрическое поле воздействует на эти электроны, заставляя их двигаться. Медь и серебро являются наиболее известными проводниками, обладающими низким сопротивлением.
На проводимость материала влияет не только его состав, но и температура. С повышением температуры атомы решетки начинают колебаться с большей амплитудой, что увеличивает вероятность столкновений свободных электронов с атомами и, следовательно, повышает сопротивление. Это явление имеет важное значение в инженерных приложениях, где требуется стабильность проводимости при изменяющихся температурах.
Сверхпроводимость — это явление, при котором проводник теряет все свое сопротивление при определённо низкой температуре, называемой температурой сверхпроводимости (Тс). Открытие сверхпроводимости было сделано в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлингом Оннесом, который обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры около 4,2 К её сопротивление полностью исчезает. С этого момента началась эра исследований сверхпроводящих материалов.
Механизм сверхпроводимости подробно объясняется теорией БКШ (Бардена, Купера и Шриффера), согласно которой электроны в сверхпроводящих материалах формируют так называемые куперовские пары. Эти пары электронов двигаются через решетку в согласии, не сталкиваясь с атомами решетки, что позволяет избежать сопротивления. Этот эффект проявляется только при температурах ниже критической, определяемой для каждого материала.
Сверхпроводимость также имеет свойство “Мейснера” — явление, при котором сверхпроводник полностью исключает магнитное поле внутри себя. Это означает, что при достижении состояния сверхпроводимости, материал не только теряет электрическое сопротивление, но и становится идеальным экранирующим магнитным полем.
Сверхпроводники классифицируются на два типа:
Тип I — обычные сверхпроводники, которые теряют сверхпроводимость при определенной критической температуре и критическом магнитном поле. Эти материалы демонстрируют полное исключение магнитного поля (эффект Мейснера), но способны выдерживать только очень слабые магнитные поля.
Тип II — более сложные и современные сверхпроводники, которые сохраняют сверхпроводимость в сильных магнитных полях и обладают более высокой температурой сверхпроводимости. Сверхпроводники типа II могут быть использованы в магнитах, где магнитные поля достигают значительных значений.
Одним из значимых достижений в области сверхпроводников стало открытие высокотемпературных сверхпроводников в 1986 году. Эти материалы проявляют сверхпроводимость при температурах значительно выше, чем у традиционных сверхпроводников, и могут функционировать в более удобных условиях.
Примером высокотемпературного сверхпроводника является медиоксид, содержащий редкоземельные элементы, такие как лантан или иттрий. Эти материалы становятся сверхпроводниками при температурах выше 77 К, что позволяет использовать жидкий азот в качестве охладителя, что значительно упрощает практическое применение.
Несмотря на значительные успехи, теоретическое объяснение высокой температуры сверхпроводимости до сих пор остается не до конца раскрытым, что подчеркивает актуальность данного направления для науки и промышленности.
Сверхпроводники нашли широкое применение в таких областях, как магнитные резонансные томографы (МРТ), магнито-резонансная спектроскопия, а также в создании высокоскоростных поездов на магнитной подвеске (маглев). В научных исследованиях сверхпроводники используются для создания сильных магнитных полей и ускорителей частиц.
Кроме того, сверхпроводящие материалы имеют перспективы для использования в энергетике. Разработка сверхпроводящих кабелей может значительно снизить потери энергии при передаче электричества, что критично для масштабных энергетических систем. Также сверхпроводники играют важную роль в создании квантовых компьютеров, где их свойства могут быть использованы для разработки сверхбыстрых вычислений с минимальными энергозатратами.
Основным препятствием для массового использования сверхпроводников в настоящее время является необходимость охлаждения материалов до крайне низких температур. Это требует использования дорогостоящих и энергоемких методов охлаждения, что ограничивает возможности применения сверхпроводников в повседневной жизни.
Вместе с тем, продолжаются исследования по повышению температуры сверхпроводимости и разработке новых материалов, которые смогут проявлять сверхпроводимость при температуре, близкой к комнатной. Некоторые перспективные направления включают исследования в области гидридов, которые, по данным последних теоретических исследований, могут проявлять сверхпроводимость при более высоких температурах.
Таким образом, область сверхпроводимости продолжает развиваться, и с каждым новым открытием мы приближаемся к решению задачи создания эффективных и доступных сверхпроводящих материалов, что откроет новые горизонты для технологий и промышленности в XXI веке.