Министерство выевшего и средне-специального образования Республики Узбекистан

Т_С0 – температура перехода в сверхпроводящее состояние при отсутствии магнитного поля.
Каждому значению индукции В_С соответствуетнапряженность магнитного поля Н_С=  .
В качестве примера на рис.3.18 приведена диаграмма состояния сверхпроводникового металла – олова (Sn) вблизи абсолютного нуля. На диаграмме показаны границы переходов из нормального состояния в сверхпроводящее и наоборот. Заштрихованная область соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная – нормальному проводящему состоянию материала. Как видно из рис.3.18, наибольшее возможное значение температуры перехода Т_С0 (критическая температура) данного сверхпроводника достигается при ничтожно малой магнитной индукции, стремящейся к нулю. Соответственно и наибольшее возможное значение В_С0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от абсолютного нуля. В случае если рабочая точка сверхпроводника, в данном случае олова, лежит внутри заштрихованной области, то вывести материал из сверхпроводящего состояния можно либо повысив температуру Т, либо значение магнитной индукции В, а также одновременным повышением температуры и магнитной индукции. Чем больше значения В_С0 и Т_С0, тем лучше его эксплуатационные свойства, ᴛ.ᴇ. больше критическая плотность тока, при которой его можно использовать.

	Рис.3.18. Диаграмма состояния сверхпроводника первого рода- олова.

Впервые ставшие известными простые сверхпроводники (чистые металлы), имели весьма малые значения В_С0, и попытки практического использования явления сверхпроводимости не имели успеха до тех пор, пока не были открыты сверхпроводники с высоким значением В_С0.
Скачкообразное изменение проводимости при достижении критической плотности тока в последнее время находит применение в системах тягового электроснабжения. В частности разработаны сверхпроводниковые ограничители тока короткого замыкания (КЗ). Сопротивление этих ограничителœей при нормальном (сверхпроводящем) режиме равно нулю, но резко возрастает при достижении в цепи критического тока. Это позволяет ограничить ток КЗ до требуемой величины и тем самым облегчить режимы работ коммутирующих аппаратов при отключениях КЗ. Силовое электрооборудование и токоведущие части надежно защищаются от электродинамического и термического воздействия, а контактные провода в месте КЗ – от пережога.
В 1933ᴦ. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками, ᴛ.ᴇ. их относительная магнитная проницаемость скачком падает с μ_r ≈ 1 до μ_r ≈ 0. По этой причине внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело; оно ʼʼвыталкиваетсяʼʼ из него (рис.3.19). Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник.
Это явление обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Поверхностный слой очень мал. К примеру, у свинца он составляет около 40нм. Эффект выталкивания выражается настолько сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля.
Этот эффект был продемонстрирован в 1935ᴦ. В. К. Аркадьевым в его знаменитом опыте с висящим магнитом (рис.3.20).

Рис.3.19. Эффект Майснера- Оксенфельда: а) металлический шар в нормальном состоянии, помещенный в магнитное поле; б) металл шара перешел в сверхпроводящее состояние и выталкивает магнитное поле из шара.
Эффект основан на том, что при опускании магнита в металлическую чашку, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, в ней за счёт изменения магнитного потока наводится ЭДС, вызывающая ток в сверхпроводящей чашке. Протекающий в чашке ток создает магнитное поле, направленное навстречу по отношению к магнитному полю опускаемого магнита. При этом скорость опускания уменьшается, а затем становится равной нулю. Магнитный поток больше не изменяется и ЭДС в чашке не наводится. При этом ток, начавший протекать в чашке при опускании магнита͵ продолжает циркулировать, так как сопротивление чашки в сверхпроводящем состоянии равно нулю. Магнитное поле этого циркулирующего тока и не дает возможности магниту опуститься в чашку. Магнит отталкивается от чашки и остается в уравновешенном состоянии в воздухе, не касаясь чашки. Сила тяжести уравновешивается электромагнитной силой, действующей на магнит и направленной вертикально вверх. Возможен и обратный эффект, когда сверхпроводящее тело будет висеть под поверхностью магнита.

Рис.3.20. Опыт В. К. Аркадьева с ʼʼ висящим магнитомʼʼ. 1- магнит, 2- чашка из сверхпроводникового материала.
Способность сверхпроводников, являющихся диамагнетиками, ʼʼвыталкиватьʼʼ магнитное поле, используют в подшипниках с ʼʼмагнитной смазкойʼʼ, а также для подвешивания вагонов высокоскоростного желœезнодорожного транспорта.
По физико-химическим свойствам чистые металлы, обладающие свойством сверхпроводимости, разделяют на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Ta, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления ( соответственно -38,9; 232; 327; 156⁰С) и отсутствие внутренних механических напряжений. Жесткие сверхпроводники отличаются высокой температурой плавления (соответственно 2850; 1725; 1860; 2410⁰С) и наличием значительных внутренних напряжений.
С позиции термодинамики сверхпроводниковые материалы принято делить на сверхпроводники 1, 11 и 111 родов.
Важно заметить, что для сверхпроводников первого рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние, ᴛ.ᴇ. скачкообразное изменение удельной электропроводности при определœенной температуре и наличие одной критической напряженности магнитного поля. Значения критической температуры (температуры перехода Т_С ) и критической индукции B_C (и соответственно напряженности магнитного поля Н_С), которые могут разрушить сверхпроводимость, у них малы. К примеру, у алюминия Т_С0=1,2К, B_C0 =0.01Тл (Н_С0=8кА/м). У свинца Т_С0=7,2К, B_C0 =0.08Тл (Н_С0=65кА/м). Малые значения Т_С и Н_С существенно ограничивают плотность тока в сверхпроводнике и тем самым затрудняют практическое применение этих материалов. Сверхпроводники 1 рода в сверхпроводящем состоянии становятся идеальными диамагнетиками, они выталкивают из себя магнитное поле. К сверхпроводника 1 рода относятся всœе чистые металлы, кроме металлов переходной группы. Для металлов переходной группы характерными являются незаполненные 3d электронные уровни и переменная валентность. У этих металлов с увеличением порядкового (атомного ) номера элемента происходит заполнение не внешнего уровня, а предвнешнего.
Важно заметить, что для сверхпроводников 1-го рода предельная сила тока ограничивается достижением на поверхности образца критической напряженности магнитного поля. В случае длинного прямолинœейного проводника круглого сечения радиуса r предельный ток определяется по формуле:
 (3.33)
Важно заметить, что для сверхпроводников 11-го рода связь между  и  носит более сложный характер.
Сверхпроводники 11 рода, открытые в 50-х годах прошлого столетия, отличаются тем, что переход в сверхпроводящее состояние у них происходит не скачком, а постепенно в некотором интервале температур (рис.3.21). Значения B_C0 и Н_С0 у них гораздо выше, чем у сверхпроводников 1 рода. Сверхпроводниковые свойства их в весьма большой степени зависят от технологического режима изготовления. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, некоторые типичные для сверхпроводников свойства у сверхпроводников второго рода выражены менее отчетливо. При переходе от нормального проводникового состояния в сверхпроводниковое состояние у них наблюдается смешанное состояние, когда одновременно существуют две фазы: сверхпроводниковая и нормальная. По этой причине для сверхпроводников 11 рода характерны два значения магнитной индукции перехода B_C2 и B_C3:
из нормального в смешанное состояние (B_C2) и
из смешанного в сверхпроводящее (B_C3).

Рис.3.21. Диаграмма состояний сверхпроводников второго рода: Св – сверхпроводящее состояние, См – смешанное состояние, П - проводниковое (резистивное) состояние.
Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника наблюдается только в области сверхпроводимости, ᴛ.ᴇ. при (B< B_C3). В области смешанного состояния (B_C2 >B> B_C3) магнитное поле из объёма образца выталкивается частично. К сверхпроводникам 11 рода из чистых металлов можно отнести только ниобий (Nb), ванадий (V) и технеций (Te), а также всœе сверхпроводниковые сплавы и химические соединœения. Сюда же можно отнести и очень тонкие пленки из сверхпроводников 3 рода. Именно открытие и дальнейшее совершенствование этих сверхпроводников из-за их высоких Т_С0 и, что особенно важно, В_С0, вызвало появление особого интереса к явлению сверхпроводимости и открыло широкие возможности его практического использования. На сегодня уже известно более тысячи сверхпроводников второго рода.
Сверхпроводники 111 рода (жесткие сверхпроводники) - ϶ᴛᴏ сверхпроводники 33 рода, имеющие примеси и крупные неоднородности – дефекты решетки, возникшие при пластических деформациях. В них критическая плотность тока возрастает на несколько порядков и составляет несколько ГА/м², а магнитная индукция перехода составляет более 20Тл. К жестким сверхпроводникам относится большая группа сплавов и химических соединœений на базе ниобия (Nb) и ванадия (V) (табл.3.32).
Часто сверхпроводниковые провода покрываются стабилизирующей оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла; это дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры и разрушении сверхпроводимости в отдельных участках провода. Более того, в ряде случаев с успехом применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число сравнительно тонких, нитевидных твердых сверхпроводников заключено в массивную матрицу из меди или другого несверхпроводникового материала.