Реферат Курсовая Конспект
Термодинамика перехода в сверхпроводящее состояние - раздел Физика, Сверхпроводники Термодинамика Перехода В Сверхпроводящее Состояние. Пусть Длинный Цили...
|
Термодинамика перехода в сверхпроводящее состояние.
Пусть длинный цилиндр из сверхпроводящего проводника I рода помещен в однородное продольное поле Н0. Найдем значение этого поля Нс, при котором произойдет разрушение сверхпроводимости. При Н0 Нс существует эффект Мейснера, то есть В 0, и магнитный момент единицы объема цилиндра М. М -Н0 4 При изменении внешнего магнитного поля Н0 на dН0 источник магнитного поля совершит работу названой единицей объема сверхпроводника, равную МdН0 НdН 4 Следовательно, при изменеии поля от 0 до Н0 источник поля совершает работу Эта работа запасена в энергии сверхпроводника, находящегося в магнитном поле Н0 таким образом, если плотность свободной энергии сверхпроводника в отсутствии магнитного поля равна Fs0, то плотность свободной энергии сверхпроводников в магнитном поле FsH Fs0 Н02 8 5.1 Переход в нормальное состояние произойдет, если свободная энергия FsH превысит уровень плотности свободной энергии нормального металла FsH FH при Н0 Нc. Это означает, что Fn - Fs0 Н c2 8 5.2 Из этой формулы следует, что критическое поле массивного материала является мерой того, на сколько сверхпроводящее состояние является мерой того, на сколько сверхпроводящее состояние является энергетически более выгодным, чем нормальное, то есть в какой мере свободная энергия сверхпроводящего состояния меньше свободной энергии нормального состояния.
Поле Нc часто называют термодинамическим магнитным полем и обозначают Нcm. Обратимся теперь к вопросу об энтропии сверхпроводника.
Согласно первому началу термодинамики, дQ дA dU 5.3 где дQ - проращивание тепловой энергии рассматриваемого тела, дA - работа, совершаемая единицей объема этого тела над внешними телами, dU - приращение его внутренней энергии.
По определению свободная энергия F U - TS, 5.4 где Т - температура тела, а S - энергия энтропия. Тогда dF dU - TdS - SdT. 5.5 Поскольку при обратном процессе дQ TdS , имеем dU TdS - дA, 5.6 dF - дA - SdT. 5.7 Отсюда следует, что 5.8 При помощи этой формулы вычислим разность удельных энтропий сверхпроводящего и нормального состояний.
Для этого выражение для свободной энергии 5.1 подставим в формулу 5.8 5.9 Эта формула позволяет получить ряд важных физических следствий. 1 Согласно теореме Нернста энтропия всех тел при Т 0 рана нулю. Поэтому. Это значит, что кривая зависимости Нcm Т при Т 0 имеет нулевую производную. 2 Из эксперимента видно, что зависимость Нcm Т - это монотонно спадающая с увеличением Т кривая, то есть что во всем интервале температур от 0 до Тc величина.
Следовательно, в этом интервале температур Ss Sn. 3 Поскольку при Т Тc после Нcm 0, то Ss Sn при Т Тc. Схематически зависимость Ss - Sn от температуры показана на рис.19. Проведенный анализ позволяет сделать ряд существенных выводов. 1 Сверхпроводящее состояние является более упорядочным, чем нормальное, так как его энтропия меньше. 2 Переход при Т Тc происходит без поглощения или выделения скрытой теплоты, так как Ss Sn при Т Тc. Следовательно, переход при Т Тc - это переход второго рода. 3 При Т Тc переход из сверхпроводящего состояния в нормальное может происходить под действием магнитного поля. Поскольку Ss Sn, то такой переход сопровождается поглощением скрытой теплоты.
Наоборот, при переходе из нормального состояния в сверхпроводящее скрытая теплота выделяется. Следовательно, все переходы в магнитном поле при Т Тc являются переходами первого рода. Рассмотрим далее вопрос о поведении теплоемкости.
Удельная теплоемкость вещества, а разность удельных теплоемкостей сверхпроводящего и нормального состояний с учетом формулы 5.9 есть Но при Т Тc критическое поле Нcm 0, поэтому Эта формула, известная как формула Рутгерса, показывает, что при Т Тc теплоемкость испытывает скачек рис.20 , как это и должно быть при фазовых переходах второго рода. При Т Тc теплоемкость линейно зависит от температуры, как это бывает у нормальных металлов электронная теплоемкость. Перенос тепла в металле осуществляется как свободными электронами, так и колебаниями решетки.
И электропроводность, и теплопроводность обусловлены процессами рассеяния электронов. Поэтому наличие сверхпроводимости означает отсутствие обмена энергией электронов проводимости с решеткой. В сверхпроводнике по мере понижения температуры все большее число свободных электронов связывается в куперовские пары и тем самым выключается из процессов обмена энергии, а значит, вклад электронов в теплопроводность постоянно уменьшается.
При достаточно низких температурах в сверхпроводнике практически не остается свободных электронов, и он ведет себя как изолятор электронная система просто полностью выключается из теплового баланса. Значительная разность теплопроводности металла в нормальном состоянии и сверхпроводящем используется для создания сверхпроводящего теплового ключа - устройства, позволяющего разрывать тепловой контакт между источником холода и охлаждаемым телом в экспериментах в области низких температур.
Конструктивно сверхпроводящий ключ выполняется в виде отрезка тонкой проволоки диаметром 0,1 - 0,3 мм из тантала или свинца длинной от нескольких единиц до нескольких десятков сантиметров, соединяющего исследуемое тело с хладопроводом. На такую проволоку наматывается медная катушка, по которой пропускается ток, достаточный для создания магнитного поля, большего критического значения. При пропускании тока сверхпроводимость разрушается магнитным полем, и ключ открывается.
Аналогичные магнитные ключи применяются для создания поля в короткозамкнутых сверхпроводящих соленоидах. В таких соленоидах также имеется участок сверхпроводника с намотанной на нем медной обмоткой. При пропускании тока через управляющую обмотку соленоид становится разомкнутым, и через него проходит ток от внешнего источника. Затем ключ замыкается, а магнитный поток оказывается замороженным в соленоиде. Сверхпроводящий ключ может разрываться и при нагревании рис.21 В таком случае у короткозамкнутого соленоида имеется небольшой участок - перемычка, подогреваемая внешним источником.
Перемычка переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние при её нагревании до температуры выше Тc. Так как сверхпроводящее состояние является бездиссипативным, в таком соленоиде магнитное поле чрезвычайно стабильно и существует до тех пор, пока его температура не превысит Тc. Современная техника позволяет изготовлять криостаты со столь малым теплопритоком, что гелиевые температуры поддерживаются после заливки жидкого гелия в криостат со сверхпроводящим соленоидом примерно в течении года! 6. Теория Гинзбурга - Ландау. 6.1
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
Свободная энергия сверхпроводника 7. Электродинамика сверхпроводников 7.1 Уравнения Лондонов 7.2 Эффект Мейснера 7.3 Глубина проникновения… Человеческое воображение зачастую отказывается служить в этом странном мире… Но, как сказал Л. Д. Ландау, величайшим триумфом человеческого гения является то, что человек способен понять вещи,…
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Термодинамика перехода в сверхпроводящее состояние
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов