ОБЪЯСНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ НА ЯЗЫКЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Автор
Сообщение
Александр Ни
#16286 2013-09-14 21:45 GMT

ОБЪЯСНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

НА ЯЗЫКЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

(Аннотация двух самиздатовских книжек)

Физические причины сверхпроводимости до сих пор неясны (сверхпроводимость открыта 102 года назад). Предлагаю объяснение этого явления на языке классической физики.

1. Электрическое сопротивление R определяется (и измеряется) как отношение величины напряжения E к величине инициированного им тока j. Элементарная и незыблемая арифметика допускает только две возможности обращения этой дроби в ноль, одна из которых – бесконечный знаменатель при конечном числителе, а другая – нулевой числитель при конечном знаменателе. Для реализации первой из них необходимо, чтобы исчезло взаимодействие тока с его рассеивателями (фононы, примеси). Второй же случай соответствует тому, что электрический ток, т. е. упорядоченное макроскопическое движение его носителей, существует не из-за внешнего на них воздействия, а потому что возникают условия, когда его существование становится термодинамически выгодным или, как, еще говорят, является спонтанным.

Бете и Зоммерфельд в своей книге, вышедшей в свет в 1933 году [1], первую возможность категорически отвергают, они пишут «... явление сверхпроводимости должно возникать подобно тому, как возникает ферромагнетизм. Прохождение тока через металл соответствует состоянию теплового равновесия, и потому ток не мо¬жет быть уничтожен никакими возмущениями, - ни тепловыми дви¬жениями атомов решетки, ни загрязнениями». Такая точка зрения была господствующей до появления фантастической теории сверхтекучести Ландау, породившей бредоватую «теорию БКШ» (электроны, вопреки закону Кулона, начинают «спариваться»; нормально спариваются разнополые (разнознаковые) создания, электроны же все тождественны, непонятно, как они находят себе конкретную пару и теория не объясняет причины существования незатухающего тока).

2.Все происходящее в материальном мире обусловлено игрой тех или иных взаимодействий. Упорядоченное движение электронов проводимости может быть термодинамически выгодным только если энергия взаимодействия носителей тока с кристаллической решеткой содержит слагаемое нечетное по их квазиимпульсу (электрический ток есть движение его носителей относительно решетки, никакое взаимодействие между его носителями не может вызвать их движения как целого). В работе [2] показано, что такое слагаемое имеется в энергии обменного взаимодействия электронов проводимости с электронами, локализованными в ионах, образующих решетку.

Реализовать свое стремление к упорядоченному движению электроны проводимости могут только «отталкиваясь» от ионов решетки, при этом они возбуждают фононный поток, направленный в противоположную сторону, так что полный квазиимпульс системы остается равным нулю. Этот фононный поток наблюдают экспериментально и называют вторым звуком. Причины существования электронного и фононного движений радикально различны. Первое из них является спонтанным, т. е. термодинамически выгодным, а второе - вынужденным, возникающим в силу закона сохранения импульса: носители, чтобы реализовать свое стремление двигаться в одном направлении, как бы отталкиваются от образующих решетку ионов, возбуждая тем самым звуковую волну. Поскольку фононный поток термодинамически невыгоден, процессы его релаксации стремятся его остановить, преобразуя при этом энергию упорядоченного движения фононов в энергию их хаотического движения, т. е. в тепло, что приводит к повышению температуры решетки по сравнению с температурой электронов проводимости (вспомним температурный скачок Капицы в сверхтекучести) И, следовательно, возникает тепловой поток, направленный от фононов к носителям тока. Таким образом, первые возвращают последним полученную от них энергию упорядоченного движения в виде энергии тепловой. Для электронов же упорядоченное движение выгодно и они в процессах релаксации, наоборот, преобразуют в энергию этого движения ту тепловую, которую получили от фононов и возвращают ее последним снова в виде энергии упорядоченного движения и т. д.. Эта энергетическая круговерть возникает в силу законов статистической физики, ее существование позволяет консервативной системе из носителей, решетки и термостата реализовать состояние с максимальной энтропией.

Свойства электронов проводимости, находящихся на поверхности Ферми от величины температуры практически не зависят; свойства же фононов и образованного ими второго звука при низких температурах, когда реализуется сверхпроводимость, зависят от нее очень сильно; это является причиной убывания сверхпроводящего тока с температурой и его исчезновения.

3. В монолитном образце сверхпроводящий ток реализуется в виде замкнутых вихрей радиусом около 1 µ [3]. Вихрь электрического тока порождает магнитный момент. Прецессия этих моментов во внешнем магнитном поле является причиной диамагнетизма. Диамагнетизм сверхпроводников на порядки превышает атомный, потому что радиус электронной оболочки атома на четыре порядка меньше радиуса вихря спонтанного тока (см. [4]). Магнитное поле взаимодействует с электрическим током, увеличивая его энергию, поэтому спонтанный (сверхпроводящий) ток исчезает не только с повышением температуры, но также и с увеличением магнитного поля.

4. ВТСП. Обозначим сначала обнаруженные экспериментально общие свойства всех этих материалов. Во-первых, все они не металлы, а полуметаллы, т. е. носителями тока в них являются и электроны и дырки в равных концентрациях. При этом все эти материалы структурно неустойчивы. Во-вторых, величина спонтанного тока (или спонтанного электрического поля, т. е., как сейчас говорят, «щели») почти не меняется с температурой вплоть до температуры перехода в нормальное состояние. В-третьих, величина этого тока не зависит от магнитного поля, которым в этих материалах нельзя его убрать.

Попытаемся теперь объяснить перечисленные выше общие свойства этих материалов. Дырки валентной зоны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки также как и электроны проводимости и потому их энергия должна содержать слагаемое линейное по квазиимпульсу: Величина этого слагаемого определяется обменным взаимодействием носителей тока с ионами решетки. Поскольку заряды электронов и дырок противоположны по знаку, то и направления спонтанного движения электронов и дырок также противоположны. Электрический ток равен произведению величины образующих этот ток зарядов на скорость их движения, знаки электрических зарядов электронов и дырок противоположны, противоположны и направления их движений, следовательно, электрические токи, образованные электронами и дырками, направлены одинаково и складываются. Таким образом, магнитный момент вихря спонтанного тока, образованного электронами и дырками, определяется также как и магнитный момент чисто электронного вихря и потому диамагнитные свойства, которые есть следствие Ларморовской прецессии этих магнитных моментов, у полуметаллических сверхпроводников такие же, как и у металлических, что подтверждается экспериментом.

Зависимость величины спонтанного тока от величины внешнего магнитного поля определяется механическим моментом вихря [4]. Для электрон-дырочного вихря связь магнитного момента с механическим через гиромагнитное отношение, имеющее место для чисто электронного вихря, не пригодна. Массы электронов и дырок одинаковы по знаку (в отличие от их зарядов), а скорости их движения – противоположны, поэтому механический момент электрон-дырочного вихря определяется разностью между моментами электронного и дырочного токов. Поскольку в полуметаллах величина спонтанного тока не зависит от внешнего магнитного поля, то значит полный механический момент электрон-дырочного вихря равен нулю.

Зависимость спонтанного тока от температуры определяется полной энергией второго звука, который возникает из-за того, что носители тока реализуют своё стремление двигаться в определённом направлении «отталкиваясь» от ионов, образующих кристаллическую решетку. Электроны и дырки «толкают» ионы в противоположные стороны, и, если они делают это с одинаковой силой, то второго звука, ответственного за температурную зависимость спонтанного тока в полуметаллах не возникает.

Все ВТСП соединения в температурном диапазоне, в котором в них реализуется спонтанный ток, являются «структурно мягкими». В экспериментальной работе [5] утверждается, что в этих материалах перед возникновением сверхпроводимости начинается структурный переход, тут же стартует сверхпроводимость, которая останавливает этот структурный переход. Структурные параметры этих соединений непрерывно меняются при изменении температуры. Спонтанный электрический ток термодинамически выгоден, а второй звук – нет. Естественно поэтому предположить, что кристаллическая структура изменяется таким образом, чтобы не возникал второй звук. Спонтанный ток существует пока это условие исполняется.

Аннотированные выше книжки [6], [7].

Литература

[1] Бете Г., Зоммерфельд А.. Электронная теория металлов. М.: Гл. ред. техн.-теор. литературы,1938.

[2] Зайцев А.Н. ЖЭТФ, 74, 1012,. 1978

[3] S. Behler, P. Jess, H.-J. Guntherodt. Physica C, 235-240, 2703, 1994.

[4] И.Е. Тамм. Основы теории электричества. М.: «Наука», 1976.

[5] Головашкин А.И., Левченко И.С., Мотулевич Г.П. ФТТ, 20, 3061,

[6] Зайцев А.Н. Революция в России и революция в физике - совпадение дат и результатов. Коломна: Издательский Дом «Лига». 2906 г..

[7] Зайцев А.Н. Взгляд из девятнадцатого века на сверхпроводимость и сверхтекучесть. Коломна: Издательская артель. 2009 г..

.

newfiz
#16442 2013-10-03 16:55 GMT

Александр Ни,

Вы, конечно, не знакомы с работами Федюкина, и поэтому не подозреваете, что

пытаетесь решать некорректно поставленную задачу. Сверхпроводимости, т.е.

движения электронов в вещественном образце в условиях нулевого омического

сопротивления - в Природе не существует. Нас всех грязно обманывали.

Ссылки на Федюкина есть в моей книге "Этот "цифровой" физический мир",

параграф "Крах концепции сверхпроводимости" - на http://newfiz.info ,

и в статьях, там же. Популярно - в обзорчике "Жмурки с электричеством",

там же.

newfiz
#16449 2013-10-05 10:03 GMT

Вдогоночку, наш простенький опыт.

Очередное подтверждение наших воззрений на т.н. сверхпроводимость:

наглядная демонстрация того, что в ВТСП-керамике, при азотной

температуре, никакого свободного движения электронов нет.

См. клип "Эпизод А. Сверхпроводящая керамика и тестер" на

http://www.youtube.com/newfiz

newfiz
#16980 2013-11-20 10:10 GMT

Вдогоночку, интересное продолжение. На днях встретил знакомого,

рассказал про свой экспериментик. И слышу в ответ:

"Надо же, у меня были килограммы разных ВТСП-керамик, и

я сотни раз делал то же самое в разных вариациях,

и неизменно НЕ получал короткого замыкания.

Думал, что чего-то не понимаю, типа - контактные

эффекты..."

Такие дела.