от напряженности поля в этой точке, а определяется в общем случае состоянием поля в ее окрестности, т. е. связь между током и полем носит интегральный характер.

Связь между током и напряженностью поля становится локальной, если напряженность поля изменяется медленно, например, когда глубина проникновения поля 6 в сверхпроводник (поверхностный слой) велика по сравнению с размером куперовской пары о. В этом случае плотность тока J=7A, где А - векторный потенциал, определяемый из соотношения fl=rot А. Тогда из уравнения Максвелла J =тоШ зависимость магнитного поля от координат будет описываться дифференциальным уравнением ДН-Ш=0. решение которого для плоской границы сверхпроводника и вакуума дает экспоненциальный закон изменения магнитного поля в поверхностном слое Я(л;)=Я(0)-/б, где £=Я,-/2 - глубина проникновения. Она близка к 5-10- см.

Возбужденный в сверхпроводящем кольце ток становится незатухающим. Это является следствием не только отсутствия сопротивления (и тепловых потерь), но и квантовой природы явления, когда при определенных значениях тока исчезает излучение и орбиты электронов становятся устойчивыми. Из правила квантования Бора для электронной пары, движущейся в сверхпроводнике, следует, что связанный с ней магнитный поток оказывается квантованным. Квант магнитного потока или флюксоид Фо-к/2е- =2-10- Вб.

Сверхпроводники с одной определенной температурой перехода в сверхпроводящее состояние называют сверхпроводниками первого рода. У них глубина поверхностного слоя 6 меньше размера куперовской пары о(6<о)- К этой группе относятся все чистые сверхпроводящие металлы, за исключением Nb. Они обладают низки.ми значениями критических магнитных индукций Вк, выше которых сверхпроводимость разрушается. Это препятствует их использованию в качестве соленоидов для создания сверх-гальных магнитных полей.

Ко второй групе относятся сверхпроводники второго рода, которые находятся в сверхпроводящем состоянии второго рода в интервале температур между нижним и верхним критическими значениями. У них глубина проникновения больше корреляционной длины (6>). Чистый металл можно превратить в вещество второй группы путем введения точечных примесей или использования в виде тонких пленок. Здесь соударения электронов с примесями или граница.ми пленок нарушают связь, образующую купе-ровскую пару, и уменьшают корреляционную длину <о, поскольку =-1-/-М- длина свободного пробега электрона). Своеобразие электромагнитных свойств сверхпроводников второго рода приводит к тому, что в них существуют два значения критического поля.

Если магнитная индукция во внешнем

поле начинает превосходить значение нижней критической магнитной индукции, происходит частичное проникновение магнитного поля во всю толщу сверхпроводящего образца. При этом под действием силы Лоренца электроны в сверхпроводнике двигаются по окружностям, образуя вихри ( абрикосов-ские вихри ). Внутри вихря скорость возрастает по мере приближения к оси, пока не достигнет критического значения и произойдет срыв сверхпроьодимости. После этого сверхпроводящий образец оказывается пронизанным нитями из обычных, несверхпроводящих областей, ориентированных в направлении силовых линий магнитного поля. Магнитный поток, пронизывающий сечение вихря, один и тот же для всех вихрей и равен кванту магнитного потока. В виде таких отдельных порций магнитное поле проникает внутрь сверхпроводника. Такое состояние называется смешанным или щубниковской фазой , поскольку Л. В. Шубников еще в конце 30-х годов высказал предположение о существовании сверхпроводимости [I рода (теоретический анализ на основе уравнений Гинзбурга-Ландау принадлежит А. А. Абрикосову). Сверхпроводник в щубниковской фазе способен выдержать сильные магнитные поля.

По мере увеличения магнитного поля гфоисходит увеличение и сближение вихревых нитей, пока расстояние между ними становится равным примерно 10-* см и сверхпроводимость полностью разрушается. Соответствующая магнитная индукция называется верхней критической магнитной индукцией.

Если сквозь образец с щубниковской фазой пропустить поперек магнитного поля ток (он называется транспортным током ), этот ток будет взаимодействовать с магнитным полем, проникшим в область вихревых нитей. Под действием силы Лоренца вихри начнут двигаться, что вызывает потери или диссипацию энергии. При движении несверх-проЕодящей фазы (в области вихря) сквозь кристаллическую решетку будет происходить, в частности, рассеяние электронов тепловыми колебаниями решетки, т. е. обычный механизм электрического сопротивления. Таким образом, появление транспортного тока в сверхпроводнике, находящемся в смешанно.м состоянии, сопровождается выделением тепла, что означает нулевое значение критического тока, разрушающего сверхпроводимость.

К последней группе относятся сверхпроводники третьего рода, называемые также жесткими или неидеальными сверхпроводниками второго рода в отличие от рассмотренных выше идеальных сверхпроводников второго рода. Материалы этой группы содержат крупные неодрюродности, возникающие при выделении другой фазы или пластическом деформировании.

Характерной особенностью таких сверхпроводников является явление пиннинга (от слова pinning -закрепление), т. е. притягивание вихревых нитей к неоднород-

ностям и закрепление на них. Благодаря этому слабый транспортный ток не в состоянии оторвать абрикосовский вихрь от неод-нородностей и вызвать его движение, т. е. тепловые потери. Вихри приходят в движение только в том случае, если воздействие силы Лоренца оказывается достаточным для того, чтобы преодолеть пиянинг и оторвать вихрь от неоднородности. Следовательно, после превышения транспортным током соответствующего критического значения и срыва вихрей с неоднородностей выделяется энергия и сверхпроводимость исчезает. Критический ток зависит от масштаба неоднородностей, температуры и уровня внешнего магнитного поля.

Сверхпроводники третьего рода, сохраняя преимущество сверхпроводников второго рода (способность выдерживать сильные магнитные поля), устраняют их основной недостаток (нулевой критический ток). Неоднородности их структуры позволяют пропускать большие токи. Проволока из соединения ниобия с оловом (NbsSn) позволяет пропускать ток с плотностью выше 10= А/см в полях с индукциями порядка 10 Тл. Верхнее значение критической индукции соединений РЬМееО достигает 50 Тл (в качестве Me используются атомы Sn, Си, Ag и др., окруженные во-- семью атомами кислорода).

При переменном токе или при пульсациях внешнего магнитного поля происходят циклические изменения магнитной индукции внутри сверхпроводника, приводящие к диссипации энергии. При частотах, не превышающих десятка килогерц, потери носят ги-стерезисный характер, определяемый амплитудным значением, и не зависят от формы тока. Критическая плотность переменного тока на частотах 10-100 Гц мало зависит от частоты и по порядку величин ее амплитудные значения соответствуют критическим значениям плотности постоянного тока. С дальнейшим повышением частоты критическая плотность переменного тока надает и может стать более чем на два порядка ниже критической плотности постоянного тока.

Области применения сверхпроводников

Одно из важнейших достижений сверх-проводииковой техники-это создание сверхсильных магнитных полей, причем в достаточно большой области пространства. Современные сверхпроводящие соленоиды позволяют получить поля с магнитной индукцией около 20 Тл. Затраты энергии на охлаждение (получение жидкого гелия) при этом могут быть в 1000 раз меньше энергии, требуемой для питания обычного электромагнита.

Применение сверхпроводящих обмоток в трансформаторах и электрических машинах открывает возможность почти полностью устранить в них тепловые потери, сделать их значительно более компактными и увеличить единичные мощности. Одной из причин этого является возможность отка-

заться от стали, поскольку создаваемые сверхпроводниками магнитные поля намного превосходят их уровень в стальных ферромагнитных материалах. Компактность и экономия массы особенно существенны при создании магнитных систем космических кораблей, в частности, для защиты их от радиации.

Ведется инженерная проработка сверхпроводящих кабелей для модных линий передачи энергии (см. разд. 33). Использование сверхпроводящего состояния объемного резонатора позволяет поднять его добротность более чем на четыре порядка. На частоте 10 Гц достигнута добротность 4-108.

Эффект механического отталкивания сверхпроводника, окруженного магнитной подушкой , используется для создания опор без трения и электрических вращающихся машин с КПД, равным почти 100%. Принцип сверхпроводящего подвеса может быть использован как в гироскопах, так и в поездах сверхскоростной железной дороги.

Квантование магнитного потока в сверхпроводниках в сочетании с туннельным обменом куперовскими парами (эффект Джо-зефсона) лежит в основе магнитометров уникальной чувствительности, которые позволяют измерять индукции до 10- Тл. Использованием нескольких вложенных друг в друга сверхпроводящих цилиндров можно добиться того, что во внутреннем цилиндре не будет содержаться ни одного кванта магнитного потока, т. е. добиться идеального магнитного экранирования.

3-5. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Термоэлектронная эмиссия

Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов из материалов.

Термоэлектронная эмиссия - электронная эмиссия, обусловленная нагревом материала, испускающего электроны.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии чистых металлов определяется формулой Ричардсона - Дешмана

где Js - плотность тока эмиссии,- А/м; Т - температура металла, К: А - постоянная для данного металла: к - постоянная Больцмана, Дж/К; Wo - работа выхода электронов (расстояние от вершины потенциального барьера на грашще металла до уровня Ферми), Дж; <р - работа выхода, выраженная в вольтах; В.

Значения работы выхода (р и константы А для некоторых материалов приведены в табл. 3-7.

Термоэлектронная эмиссия используется в электровак)мных приборах. Электрод, эмиттирующий электроны, называется катодом. Для изготовления металлических катодов чаще всего используется вольфрам, как один из наиболее тугоплавких металлов.

§ 3-5]

Электронная эмиссия

Таблица 3-7

Значения работы выхода ф и константы А для некоторых материалов

Cs Ва Th

ф, В

1,89 2,29 3,41

Образование на поверхности металла мономолекулярных пленок некоторых веществ сопровождается поляризацией атомов пленки или их ионизацией и вследствие этого возникновением ускоряющего электрического поля, снижающего работу выхода ф электронов из катода.

Наиболее распространенными в технике пленочными катодами являются катоды из торированных вольфрама и молибдена. Их работа выхода ф= 1,5--2,6 В.

Наиболее распространенными в современных электровакуумных приборах являются оксидные катоды, обладающие большой удельной эмиссией, сравнительно низкой рабочей температурой и высокой экономичностью (экономичность катода представляет собой отношение тока эмиссии к мощности накала катода).

В качестве материала основания при изготовлении оксидного катода используется вольфрам или никель. Активный слой представляет собой примесный полупроводник, образованный твердым раствором окислов щелочноземельных металлов (ВаО и SrO- двухкомпонентный оксид или ВаО, SrO и СаО - трехкомпонентный оксид) с вкраплениями атомов чистого металла (Ва, Sr), представляющих собой донорные примеси, и поверхностным одноатомным слоем Ва.

У хорошо активированных катодов ф составляет 0,95-1,2 В.

Автоэлектронная эмиссия

Автоэлектр онной (электр остатической) эмиссией называют электронную эмиссию, обусловленную наличием у поверхности катода сильного, ускоряющего электроны электрического поля.

При наличии внешнего ускоряющего электрического поля у поверхности катода потенциальный барьер снижается, сужается и электроны просачиваются сквозь потенциальный барьер (туннельный эффект).

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронной эмиссией называют электронную эмиссию с поверхности тел под действием падающего на нее излучения.

Фотоэлектронная эмиссия характеризуется двумя законами:

1) .законом Столетова

/ф = кФ,

где /ф - ток фотоэлектронной эмиссии; Ф - световой (или лучистый) поток; к - коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотокатода - спектральной в случае монохроматического излучения или интегральной при неразложен-ном (белом) излучении;

2) законом Эйнштейна

\ /max ( ти \

где I --- - максимальная кинетиче-\ Jmax

екая энергия покидающих катодов электронов; V - частота падающего на катод света; Ф - работа выхода материала катода. В; /i = 6,55-10- Дж-с - постоянная Планка.

Закон Эйнштейна может быть также записан в виде

I 2

= ft(V -Vo).

/max

где vo-порог фотоэлектронной эмиссии, т.е. минимальная частота света, при которой возможна эмиссия с данного катода.

Пороговая частота Vq или пороговая длина волны ко связана с работой выхода катода соотношением

v = еф/Л, или Яо = 1236/ф,

где ф. В, и Ло, нм.

В табл. 3-8 приведены значения %о и работы выхода ф для некоторых металлов.

Таблица 3-8 Значения Яо для некоторых металлов

Зависимость спектральной чувствительности к фотокатода от частоты (или длины волны) падающего света называют спектральной характеристикой катода.

Интегральная чувствительность к фотокатода, измеряемая обычно в мкА/лм, характеризует ток фотоэлектронной эмиссии на единицу светового потока неразложенного (белого) света от стандартного источника света - лампы накаливания с вольфрамовой спиралью при Г,=2850 К-

У большинства металлов порог фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой или коротковолновой части видимого спектра, а интегральная чувствительность их ничтожно мала.