Глубина проникновения. Уравнение Лондонов

В 1935г. физики братья Лондоны предприняли попытку количественного описания электрических и магнитных свойств сверхпроводников. Предложенные ими уравнения имеют для сверхпроводников такое же значение, какое имеет закон Ома для нормальных проводников. Для нормальных проводников плотность тока j пропорциональна напряженности электрического поля Е: j= уЕ (у - электропроводность). Применим закон Ома (I=U/R) к однородному проводнику длиной l и сечением S. Вследствие симметрии формы провода электрическое поле в нем имеет напряженность, равную E=U/l, а плотность тока j=I/S. Подставляя эти выражения в закон Ома, получили El/Js=R, откуда j=E/с, где с-удельное сопротивление проводника, равное с=RS/l, а у=l/с – удельная электропроводность. Связь между плотностью тока и электрическим или магнитным полем для сверхпроводников дается двумя уравнениями Лондонов. Первое уравнение описывает идеальную проводимость: поле ускоряет электрон, движущийся в среде без сопротивления. Второе уравнение отражает эффект Мейснера. Оно описывает затухание магнитного поля в тонком поверхностном слое сверхпроводника и тем самым словно разрушает представление об идеальном диамагнетизме.

Диамагнетизм сверхпроводников – это поверхностный эффект, магнитное поле не проникает в толщу образца. Однако оно не может быть полностью вытолкнуто из своего объема металла, включая его поверхность. Иначе на поверхности магнитное поле скачком уменьшается до нуля. токовый слой не имел бы толщины, и плотность тока была бы бесконечной, что физически невозможно. Следовательно, магнитное поле хоть немного, проникает в проводник. Именно в этом тонком приповерхностном слое и протекают незатухающие токи, которые и экранизируют от влияния внешнего магнитного поля области, удаленные от поверхности. Толщина этого слоя, получившим название глубины проникновения поля л, является одной из важнейших характеристик сверхпроводника.

Теория Лондонов позволила найти зависимость индукции магнитного поля от глубины проникновения: В(х) = В₀е^-хл . Эта зависимость экспотенциальна. Все металлы имеют разное значение л, но, в общем, глубина проникновения очень мала, порядка нескольких сот ангстрем (Е) (1Е = 10^-8см), поэтому и кажется, что массивные образцы ведут себя как идеальные диамагнетики с индукцией В=0.

Глубина проникновения не является постоянной величиной - она зависит от температуры образцов. чем больше температура отличается от критической, тем на меньшую глубину в образец проникает магнитное поле. По мере приближения к температуре перехода магнитное поле все глубже проникает в толщу образца. Пока наконец в самой точке перехода в нормальное состояние не захватит весь объем газа. В близи критической температуры сверхпроводники уже не являются идеальными диэлектриками.

2.5 Сверхпроводники первого рода и второго рода

Сверхпроводники, в зависимости от их поведения во внешнем магнитном поле Н, разделяются на два типа: сверхпроводники 1-го и 2-го рода.

Как указывалось выше, у всех сверхпроводников существует область не очень сильных полей, в которой индукция внутри сверхпроводника равна нулю. В этой области магнитный момент М линейно зависит от Н:

M =−H.

При дальнейшем увеличении поля зависимости Мот Н у сверхпроводников 1-го и 2-го рода принципиально отличаются (рис. 4): у сверхпроводников 1-го рода при критическом значении магнитного поля Н_с (поле Н_с называется термодинамическим критическим полем) идеальный диамагнетизм исчезает и образец (на рис. 4 приведены зависимости М от Н для образцов, имеющих форму длинных тонких цилиндров, ориентированных вдоль поля) полностью переходит в нормальное состояние. К сверхпроводникам 1-го рода относятся все чистые сверхпроводящие элементы и некоторые их сплавы стехиометрического состава.

У сверхпроводников 2-го рода линейная зависимость Мот Н нарушается при значении магнитного поля Н_с1, называемого первым критическим полем. Далее М монотонно уменьшается и обращается в нуль при Н_с2, получившем название 2-го критического поля. В области между Н_с1 и Н_с2 средняя магнитная индукция внутри сверхпроводника не равна нулю. Внешнее магнитное поле в этой области начинает проникать внутрь сверхпроводника в виде тонких нитей магнитного потока (рис. 5) — вихрей Абрикосова. Каждый вихрь имеет нормальную (не сверхпроводящую) сердцевину диаметром 2о , через которую проходит магнитное поле. Вокруг сердцевины в слое толщиной л текут вихревые сверхпроводящие токи j_s , экранирующие области с В=0. Магнитный поток, пронизывающий каждый вихрь, имеет строго определенное значение Ц₀ = 2,07 · 10−⁷ Вб (квант потока).

При увеличении Н число вихрей возрастает, расстояние между ними уменьшается. При Н = Н_с2 нормальные сердцевины вихрей соприкасаются и объемная сверхпроводимость исчезает. Состояние, в котором находится сверхпроводник в области Н_с1 < H < H_{c 2} , называется смешанным состоянием (оно представляет смесь нормальной и сверхпроводящей фаз).

К сверхпроводникам 2-го рода относятся большое число сплавов и все высокотемпературные сверхпроводники.