Курсовая теория на тему Микроскопическая теория высокотемпературной сверхпроводимости.

Содержание:

Введение 3
Глава 1. Теория сверхпроводимости, основные положения, история возникновения 5
1.1 История и теория сверхпроводимости 5
1.2 Магнитные явления в сверхпроводнике 7
1.3 Сверхпроводники второго рода 8
1.4 Высокотемпературная сверхпроводимость 9
1.5 Свойства сверхпроводников 10
Глава 2. Возникновение, история и сущность микроскопической теории высокотемпературной сверхпроводимости 11
2.1 Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) и Боголюбова 11
2.2 Энергетическая щель 16
2.3 Бесщельная сверхпроводимость 17
Заключение 19
Список использованной литературы 21

Введение:

Актуальность темы. Много ученых в разных странах, используя разные подходы, внесли вклад в создание теории сверхпроводимости. Первым из них был замечательный советский физик Л.Д. Ландау. Он первым сопоставил два «странных» явления – сверхпроводимость и сверхтекучесть и предположил, что эти явления тесно связаны между собой.
Сверхпроводимость – это сверхтекучесть электронной жидкости. Идея Ландау оказалась очень плодотворной, на ее основе было построено большинство теорий сверхпроводимости.
В 1950 г. В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау предложили феноменологическую теорию сверхпроводимости, которая позволила рассчитать ряд существенных свойств сверхпроводников, описать их поведение во внешнем поле. Теория эта была обоснована Л.П. Горьковым, который разработал метод исследования сверхпроводящего состояния, применяемого сейчас в теоретических разработках.
Следующий шаг был сделан почти одновременно советским физиком академиком Н.Н. Боголюбовым и американскими физиками Бардиным, Купером и Шриффером. Американские ученые успели чуть раньше поставить последнюю точку.
Сверхпроводимость, как, оказалось, проявляется в тех случаях, когда электроны в металле группируются в пары, взаимодействующие через кристаллическую решетку. Они тесно связаны между собой, так что разорвать пары и разобщить электроны чрезвычайно трудно. Такие могучие связи позволяют электронам двигаться без всякого сопротивления сквозь решетку кристалла, помогая друг другу.
Исходя из этих представлений, Бардин, Купер и Шриффер в 1957 г. построили долгожданную микроскопическую теорию сверхпроводимости, за которую они в 1972 г. были удостоены Нобелевской премии. Эта теория, известная сегодня по названию «теория БКШ», не только позволила с уверенностью сказать, что механизм сверхпроводимости действительно ясен, но и впервые привела к установлению связи между критической температурой и параметрами металла.
Цель исследования – анализ сущности и особенностей возникновения микроскопической теории высокотемпературной сверхпроводимости
Объект исследования: сверхпроводимость.
Предмет исследования: микроскопическая теория высокотемпературной сверхпроводимости.
Достижение цели будет предполагать решение следующих задач:
1. подобрать и проанализировать научную литературу по данной проблематике;
2. определить и проанализировать понятие сверхпроводимости, как важного физического явления;
3. исследовать предпосылки появления и сущность микроскопической теории высокотемпературной сверхпроводимости.
3. сделать соответствующие выводы.
Методы исследования:
— теоретические методы: анализ научной литературы;
— практические методы: количественный и качественный анализ результатов исследования.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем составляет 21 страница.

Заключение:

Таким образом, на основе проведенного исследования модно сделать следующие выводы:
1. Сверхпроводимость – одновременное исчезновение электрического сопротивления и появление совершенных диамагнетических качеств (выталкивание магнитного поля из объема материала). В таком состоянии наблюдается много интересных явлений. Некоторые из них успешно используют во многих отраслях.
2. Сверхпроводимость открыл Х. Камерлинг-Оннес в 1911, исследуя электрическое сопротивление ртути при низких температурах. Природу сверхпроводимости объяснили в 1956 г. американские физики Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер, создав теорию БКШ, получившую название по первым буквам их фамилий.
Сверхпроводящее состояние физики называют макроскопическим квантово-механическим состоянием.
При отсутствии внешнего магнитного поля металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние при постоянной температуре, называемой температурой перехода в нулевом поле Т0. Среди чистых металлов самую высокую температуру перехода имеет технецием (11,2 К).
В сверхпроводящем состоянии изменяются свойства материала: теплоемкость резко возрастает, теплопроводность – резко падает (кроме некоторых сплавов Pb-Bi), потому что куперовские пары уже не берут участие в переносе теплоты.
Благодаря отсутствию электрического сопротивления ток, запущенный в кольцо из сверхпроводящего материала, продолжает течь и после отключения напряжения. Как уже отмечалось, магнитное поле не проникает внутрь сверхпроводника, поэтому магнит падает на сверхпроводящую пластину, зависает в воздухе: его поле возбуждает в металле кольцевой ток, а ток создает собственное магнитное поле, отталкивающее падающий Магнит. Ток продолжает течь, а магнит висеть до тех пор, пока материал охлажден до сверхпроводящего состояния. Термоэлектрические эффекты в сверхпроводниках исчезают.
3. Теория Бардина-Купера-Шриффера, более известная под сокращенным названием Теория БКШ – микроскопическая теория сверхпроводимости. Она впервые дала, по крайней мере, качественное объяснение отсутствия сопротивления сверхпроводников при низких температурах, исходя из квантовых свойств движения электронов проводимости в кристаллической решетке.
М.М. Боголюбов имел особое отношение к теории сверхпроводимости. Он очень любил эту тематику и абсолютно все вычисления, проверяя своих помощников, сделал сам. Причем основным мотивом подробного исследования модели среда выполнения для М.М. Боголюбова было не только желание добиться полной математической строгости, но и стремление до конца понять причину появления в теории сверхпроводимости «аномальных» средних и выяснить, в каком именно смысле рассматривается усреднение.

Фрагмент текста работы:

Глава 1. Теория сверхпроводимости, основные положения, история возникновения

1.1 История и теория сверхпроводимости

Сверхпроводимость открыл Х. Камерлинг-Оннес в 1911, исследуя электрическое сопротивление ртути при низких температурах. Он отметил, что при температуре 4,15К она скачкообразно теряла сопротивление (рис. 1). Еще через два года он определил температуры сверхпроводящего перехода свинца, олова и таллия [4].

Рисунок 1 – Критическая температура сверхпроводника 1 рода
Природу сверхпроводимости объяснили в 1956 г. американские физики Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер, создав теорию БКШ, получившую название по первым буквам их фамилий.
Проводник – это кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы, а потерянные ими электроны создают «электронный газ» – плотное облако из частиц, заполняющее весь кристалл. Электроны независимо друг от друга движутся вдоль проводника, перенося заряд – возникает электрический ток. Во время движения они взаимодействуют между собой и с решеткой, поэтому возникает электрическое сопротивление, для преодоления которого следует прикладывать к проводнику напряжение [5].
В сверхпроводнике электроны также взаимодействуют с ионами решетки (рис. 2). Первый электрон «сближает» ионы и в «суженную» область за счет большего положительного заряда втягивается второй электрон. Энергия, которую тратит первый электрон на деформацию решетки, без потерь передается второму электрону. Эта пара (так называемая «куперовская пара») движется по решетке, обмениваясь энергией через фононы (кванты колебательных движений решетки), однако, не теряя энергии в целом. Суммарный спин куперовской пары равен нулю – возникают бозоны. В 1 см3 сверхпроводника содержится около 1020 куперовских пар, образующие бозонную жидкость – макроскопически упорядоченную структуру, которая ведет себя как одно целое и может «течь» проводником без сопротивления, а за счет заряда электронов создает электрический ток [4]. С повышением температуры энергия электронов растет, и куперовские пары распадаются. Сверхпроводящее состояние физики называют макроскопическим квантово-механическим состоянием.

Рисунок 2 – Куперовская пара электронов
При отсутствии внешнего магнитного поля металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние при постоянной температуре, называемой температурой перехода в нулевом поле Т0. Среди чистых металлов самую высокую температуру перехода имеет технецием (11,2 К).