26.2. Поляризация диэлектрика

Диэлектрики (изоляторы) практически не пропускают электрического тока. В электрическом поле диэлектрики поляризуются. Диэлектрики практически не имеют носителей зарядов – они состоят из элементарных диполей.

Электрический диполь – это пара одинаково заряженных частиц с зарядами q⁺ и q^–, расположенных на определенном расстоянии друг от друга l. Электрический момент диполя равен

. (26.9)

Поляризация диэлектрика – это ориентация диполей вдоль поля или появление под действием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Поляризованность – это сумма дипольных моментов, приходящихся на единицу объема диэлектрика

. (26.10)

Поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля

, (26.11)

где ₀ – электрическая постоянная,  – диэлектрическая восприимчивость вещества. Для большинства диэлектриков   0.

Величину называютполяризуемостью.

Диэлектрическая восприимчивость  связана с диэлектрической проницаемостью 

. (26.12)

Диэлектрическая проницаемость  показывает, во сколько раз внешнее электрическое поле Е₀ в отсутствие диэлектрика ослабляется по сравнению с полем напряженностью Е в присутствии диэлектрика

. (26.13)

Сегнетоэлектрики – это вещества, для которых не выполняется линейный закон (26.11), а после поляризации и снятия внешнего поля эти вещества остаются поляризованными. Эта нелинейность является следствием наличия внутри кристаллической решетки некоторых областей – доменов, содержащих стабильные электрические диполи. Сегнетоэлектрические свойства сохраняются до некоторой критической температуры – температуры Кюри Т_к. При ТТ_к сегнетоэлектрик разрушается и становится неполярным диэлектриком.

Этот переход считается фазовым превращением второго рода.

К типичным сегнетоэлектрикам относят сегнетову соль NaC₄O₆4H₂O, титанат бария BaTiO₃, фосфаты и др.

Пьезоэлектрики – преобразователи механической энергии в электрическую. Этот эффект имеет место при деформации кварца, турмалина, сахара, сегнетовой соли, цинковой обманки и др.

Пироэлектрики – вещества, которые поляризуются при изменении температуры. К ним относят вюрцит -ZnS, сегнетову соль и др. При нагревании пироэлектрические кристаллы удлиняются в одном направлении и сокращаются в другом. Смещение зарядов и приводит к поляризации в диэлектрике.

26.4. Сверхпроводники

В1911 г. голландский физик Г.Камерлинг-Оннас в г.Лейдене открыл новое явление - скачкообразное обращение в нуль электрического сопротивления некоторых металлов при достаточно низких темпертурах, которое было названо явлением сверхпроводимости (определение Камерлинг-Оннеса).

Это открытие было сделано через три года после того, как им же впервые был получен жидкий гелий.

Явление сверхпроводимости было обнаружено в экспериментах со ртутью (рис. 26.3). В дальнейшем явление сверхпроводимости было обнаружено на многих металлах и их сплавах.

До 1973 г. рекордсменом среди сверхпроводников по температуре перехода проводника в сверхпроводящее состояние Т_c.= 23К был сплав Nb₃Ge₆.

В апреле 1986 г. в редакцию журнала "Цайтшрифт фюр физик" поступила статья Беднорца и Мюллера, под названием "Возможность высокотемпературной сверхпроводимости в системе Ва-La-Cu-O". В ней сообщалось об обнаружении резкого падения сопротивления керамики указанного состава при температурах 30-35 К.

После этого в СССР, США и др. странах начался интенсивный поиск еще более высокотемпературных сверхпроводников. Уже в марте 1987 г. была получена температура Т_с=92 К группой By.

В настоящее время по измерению наведенного тока в медном колечке из сверхпроводника установлено, что в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление составляет ~10^-23Омсм, т.е. в 10¹⁷ раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре. Время, требуемое для затухания тока, наведенного в таком сверхпроводящем колечке, составляет ~100000 лет

Таким образом, в случае сверхпроводящего тока мы фактически сталкиваемся с движением тока без сопротивления.

Температуру Т_с, ниже которой наблюдается переход металлов в сверхпроводящее состояние, принято называть критической.

В 1933г. В.Мейсснером и Р.Оксенфельдом установлено, что при температуре Т<Т_с магнитный поток, первоначально (при Т>Т_с) пронизывавший проводник, полностью оказывается вытолкнутым из него. Этот эффект называется эффектом Мейсснера.

Выталкивание магнитного потока их сверхпроводника означает, что в нем магнитная индукция В=0.

Следовательно, сверхпроводник является не только идеальным проводником, но и идеальным диамагнетиком!

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, т.к. при прохождении токов по сверхпроводникам отсутствуют тепловые потери.

Сверхпроводники используют при создании вычислительных машин. Незатухающий сверхпроводящий ток является прекрасным "запоминающим" устройством, хранящим большие и легко считываемые запасы информации: за ~10^-6 с они могут выбрать нужную информацию из 10¹¹ единиц.

Явление сверхпроводимости применяется для:

- модуляторов (преобразователей слабого постоянного тока в переменный);

• выпрямителей (для детектирования высокочастотных модулированных колебаний;

• коммутаторов (бесконтактных переключателей);

- криотронов;

и др.

Теория сверхпроводимости. Теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).

Бездиссипативное токовое состояние в сверхпроводниках долгое время оставалось загадкой. Лишь в 1957 г. Дж.Бардину, Л.Куперу, Дж.Шрифферу удалось построить микроскопическую теорию сверхпроводимости, за что им была вручена Нобелевская премия. В чем состояла основная трудность теоретической интерпретации явления сверхпроводимости? Дело в том, что невзаимодействующие электроны в металлах представляют собой ансамбль квантовых частиц с полуцелым спином и описываются статистикой Ферми-Дирака. Согласно принципу Паули, на каждом разрешенном уровне такой системы могут находиться только два электрона с противоположными спинами. Электроны в металле находятся как бы в потенциальной яме, а принцип Паули заставляет подниматься по энергетической лестнице вверх. В такой ситуации идеальная проводимость не может возникнуть, поскольку электроны будут иметь возможность за счет перехода на ближайшие уровни рассеяться на примесях, дислокациях, фононах, что приведет к наличию ненулевого сопротивления (R0).

По другому ведут себя бозоны - квантовые числа с целым спином и подчиняющиеся квантовой статистике Бозе-Эйнштейна. Для бозонов принцип запрета Паули не работает и при Т0 все бозе-частицы могут "сконденсироваться" на наинизшем уровне с образованием энергетической щели (запретной зоны), аналогичной полупроводникам и диэлектрикам. Если теперь энергетический спектр возбуждений такой системы удовлетворяет определенному условию то движение бозе-частиц при достаточно слабых возмущениях (низкие температуры, слабые электрические и магнитные поля) оказывается бездиссипативным. В качестве бозе-частицы была предложена т.н. куперовская пара – пара спаренных электронов с противоположными спинами, удовлетворяющая изложенным выше условиям и являющаяся носителем электричества в сверхпроводнике.

Теория БКШ удачно объясняла явление сверхпроводимости в металлах. Однако для других систем, в частности, для высокотемпературных сверхпроводников эта теория оказалась не совсем состоявшейся. В настоящее время развиваются новые теории сверхпроводимости и идет поиск новых материалов для получения сверхпроводящего состояния вещества при более высоких температурах.