Меню

Сверхпроводники проводят ток только в одном направлении



Сверхпроводимость, явление, открытие, теория и применение

Сверхпроводимость, явление, открытие, теория, применение и температура сверхпроводимости.

Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать абсолютно нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры).

Описание. Явление сверхпроводимости:

Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать абсолютно нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры).

Сверхпроводимостью обладают металлы и их сплавы, полупроводники, а также керамические материалы и иные вещества. Существуют даже сверхпроводящие сплавы и материалы, у которых один из элементов или все элементы , входящих в его состав, могут и не быть сверхпроводниками. Например, сероводород , славы ртути с золотом и оловом.

Сверхпроводящее состояние в материале возникает не постепенно, а скачкообразно – при достижении температуры ниже критической. Выше этой температуры металл, сплав или иной материал находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Для некоторых веществ переход в сверхпроводящее состояние становится возможным при определенных внешних условиях, например, по достижении определенного значения давления.

Сверхпроводимость как явление сопровождается несколькими эффектами. Определяющее значение имеют два из них: исчезновение электрического сопротивления и выталкивание магнитного потока (поля) из его объема. Поэтому важнейшее значение приобретает не только критический ток, но и критическое магнитное поле – определенное значение напряженности магнитного поля, по достижении которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.

Явление сверхпроводимости может быть продемонстрировано на практике. Если взять проводник, закольцевать его, сделав замкнутый электрический контур, охладить его до температуры ниже критической и подвести к нему электрический ток, а после чего убрать источник электрического тока, то электрический ток в таком проводнике будет существовать неограниченно долгое время.

В настоящее время получены сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при комнатной температуре .

Открытие сверхпроводимости:

Явление сверхпроводимости впервые открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры.

Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г., когда он создал криогенную лабораторию.

В 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий.

Охлаждая с его помощью металлическую ртуть, он с удивлением обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю (4,15 К), электрическое сопротивление (р) ртути скачком падает до нуля.

Сверхпроводимость_2

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово.

Впоследствии были открыты и другие сверхпроводники.

Природа, объяснение и теория сверхпроводимости:

Следует отметить, что полностью удовлетворительная теория сверхпроводимости в настоящее время отсутствует.

В 1957 г. Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер предложили так называемую теорию БКШ (Бардина – Купера – Шриффера).

Электрический ток представляет собой движение электронов. В обычном проводнике электроны двигаются поодиночке и самостоятельно преодолевают различные препятствия на своём пути. При этом в ходе движения они сталкиваются друг с другом и с кристаллической решеткой, теряя при этом свою энергию. Таким образом, в проводнике из-за различных препятствий возникает электрическое сопротивление.

Электроны в обычных условиях имеет спин, принимающим значение -1/2 или +1/2. Но при определенных условиях (при понижении температуры ниже критической) они образуют пары. Электроны с противоположными значениями спина притягиваются друг к другу. Эти образованные пары также называют куперовской парой. Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона. Поскольку суммарный спин этой пары равен нулю, то она обладает свойствами бозона. Бозоны образуют конденсат Бозе-Эйнштейна , к которому присоединяются все свободные бозоны, и находятся в одном квантовом состоянии. Они становятся единым целым, способным двигаться без столкновения с решеткой и оставшимися электронами, то есть без потерь энергии, без электрического сопротивления. Так возникает эффект сверхпроводимости.

Однако данная теория не способна объяснить сверхпроводимость при высоких температурах (высокотемпературную сверхпроводимость).

Классификация, типы и виды сверхпроводников:

По критической температуре сверхпроводники разделяются на низкотемпературные, если критическая температура ниже 77 K (-196 о С), и высокотемпературные.

Температурой разделения является температура кипения азота, которая составляет 77,4 K (-195,75 °C).

Данное деление имеет практическое значение. В первом случае охлаждение производится жидким или газообразным гелием, а во втором случае – более дешевым жидким или газообразным азотом.

По отклику сверхпроводников на магнитное поле они бывают сверхпроводниками I рода и сверхпроводниками II рода.

Сверхпроводники I рода по достижению единственного определенного значения напряженности магнитного поля (т.н. критического магнитного поля, Hc) теряют свою сверхпроводимость. До этого значения магнитное поле огибает сверхпроводник, а свыше его – проникает внутрь и проводник теряет свою сверхпроводимость.

У сверхпроводников II рода имеется два критических значения магнитного поля Hc1 и Hc2. При приложении магнитного поля первого критического значения Hc1 происходит частичное проникновение магнитного поля в тело сверхпроводника, однако сверхпроводимость сохраняется. Выше второго значения критического поля Hc2, сверхпроводимость разрушается полностью. В магнитных полях от первого до второго критического значения в сверхпроводнике существует вихревая структура магнитного поля.

По материалу сверхпроводники подразделяются чистые элементы, сплавы, керамику, сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и прочие.

Температура сверхпроводимости металлов, сплавов и прочих материалов:

Примечание к таблице:

* для материалов, помеченных * значение критического поля указано в Э (эрстед), для остальных в Гс (гаусс).

*** Экстраполировано к абсолютному нулю.

Свойства сверхпроводников. Эффекты сверхпроводимости:

1. Нулевое электрическое сопротивление.

Строго говоря, сопротивление сверхпроводников равно нулю только для постоянного электрического тока. Сопротивление у сверхпроводников при прохождении через них переменного тока отлично от ноля и возрастает с повышением температуры.

2. Критическая температура сверхпроводников.

3. Критическое магнитное поле сверхпроводников.

Это значение магнитного поля, выше которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости и переходит в обычном состояние, характерное для обычного проводника.

Значение критического магнитного поля различается в зависимости от материала сверхпроводника и может составлять от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс. В таблице значений сверхпроводимости материалов указывается критическое магнитное поле при температуре абсолютного нуля (0 К).

Критическое магнитное и критическая температура взаимосвязаны между собой. При повышении температуры сверхпроводника критическое магнитное поле уменьшается. При температуре перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние критическое магнитное поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально.

Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением:

Нс(Т) = Нсо · (1 – T 2 / Tc 2 )

где Нс(Т) – критическое магнитное поле при заданной температуре, Нсо – критическое поле при нулевой температуре, Т – заданная температура, Тс – критическая температура.

Для сверхпроводников II рода указываются два значения магнитного поля. Также нетрудно заметить, какие гигантские поля способны выдерживать сверхпроводники второго рода без разрушения сверхпроводимости.

4. Критический ток в сверхпроводниках.

Это значение максимального постоянного тока, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. При превышении этого значения сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.

Как и критическое магнитное поле, критический ток обратно пропорционально зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.

5. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником из своего объёма.

Это явление было названо эффектом Мейснера по имени первооткрывателя.

Эффект Мейснера означает полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.

Однако не у всех сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейснера. Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный – сверхпроводниками второго рода. Для сверхпроводников второго рода магнитное поле в интервале значений Hc1 – Hc2 проникает и действует в виде вихрей Абрикосова. Однако стоит отметить, что в низких магнитных полях (ниже значения Hc и Hc1 ) полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников.

Отсутствие магнитного поля в объеме сверхпроводника означает, что электрический ток протекает только в поверхностном слое сверхпроводника.

6. Глубина проникновения.

Это расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Обычно данную величину называют лондоновской глубиной проникновения (в честь братьев Лондон).

Глубина проникновения оказывается функцией температуры, прямо пропорционально ей и различна в разных материалах.

Исходя из действия эффекта Мейснера магнитное поле выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в его поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения. Эти токи создают магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне, не позволяя ему проникнуть внутрь.

При достижении магнитным полем критического значения оно полностью проникает через глубину проникновения и захватывает весь сверхпроводник.

7. Длина когерентности.

Это расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние. Электроны в пределах длины когерентности движутся согласованно – когерентно (как бы «в ногу»).

8. Удельная теплоемкость.

Данная величина показывает количество теплоты, необходимое для того, чтобы повысить температуру 1 грамма вещества на 1 К.

Удельная теплоемкость сверхпроводника резко (скачкообразно) возрастает вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и довольно быстро (скачкообразно) уменьшается с понижением температуры. Иными словами, в области перехода для повышения температуры вещества в сверхпроводящем состоянии требуется больше теплоты, чем в нормальном состоянии, а при очень низких температурах – наоборот.

Читайте также:  Микросхема для импульсного понижающего стабилизатора тока

Применение сверхпроводимости:

– для получения сильных магнитных полей. Поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Для получения сильных магнитных полей используются сверхпроводники II рода, т.к. значение критического магнитного поля Нс2 для них значительно велико,

– в электрических кабелях и линиях электропередач (ЛЭП). Так, один тонкий электрический кабель из сверхпроводника способен передать электрический ток, для передачи которого обычный проводник должен иметь значительные размеры (диаметр),

– в мощных генераторах тока и электродвигателях ,

– в измерительных приборах,

© Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

электрическое сопротивление в чем состоит явление состояние свойства условия понятие суть применение использование открытие эффект температура теория сверхпроводимости
нобелевская премия за высокотемпературная сверхпроводимость физика металлов презентация реферат проводников материалов сообщение доклад кратко 8 класс рекорд определение
зависимость сопротивления металлов от температуры сверхпроводимость

Источник

Сверхпроводники проводят ток только в одном направлении

J пов = Нк/ l

Отметим также, что у сверхпроводников первого рода в состоянии сверхпроводимости изменяется скачком удельная теплоемкость и исчезают некоторые термоэлектрические эффекты (Джоуля, Томсона и Пельтье).

Сверхпроводники первого рода существуют как на постоянном токе, так и на переменном до частот около 10 МГц.

До 1957 года считалось, что описанные выше характеристики и свойства относятся ко всем сверхпроводникам и некоторые отклонения от этих свойств, обнаруженные экспериментально, объяснялись влиянием примесей, деформациями и другими факторами, но при этом подразумевалось, что эти отклонения не затрагивают фундаментальных свойств сверхпроводимости.

В 1957 году А. А. Абрикосовым теоретически было показано, что возможно существование класса сверхпроводников, имеющих принципиально другие свойства. Позже такие сверхпроводники были названы сверхпроводниками второго рода.

Все фундаментальные свойства сверхпроводников первого рода связаны с тем, что их свободная энергия в сверхпроводящем состоянии меньше свободной энергии в нормальной фазе. Поэтому для сверхпроводников первого рода сверхпроводящая фаза более выгодна с энергетической точки зрения и она занимает весь объем сверхпроводника. В этом случае с энергетической точки зрения выгодно, чтобы граница раздела между сверхпроводящей и нормальной фазами обладала минимальной энергией. Если в этом случае T , B , I меньше соответственно T кр , B кр , I кр , то сверхпроводник по всему сечению находится в сверхпроводящем состоянии и магнитное поле выталкивается из него, так как проникновение поля связано с образованием нормальных областей и увеличением свободной энергии сверхпроводника.

Абрикосовым было доказано, что возможно существование класса сверхпроводников, энергия границы раздела сверхпроводящей и нормальной фаз которых отрицательна. У таких сверхпроводников в случае, если изменение энергии, связанное с образованием нормальной фазы, меньше изменения, связанного с увеличением границы раздела фаз, энергетически выгодно образование структуры, в которой сечение разбито на чередующиеся области сверхпроводящей и нормальной фаз с максимальной суммарной границей раздела. Как показал эксперимент, периодичность такой структуры составляет примерно 10 -5 см. Сверхпроводники, обладающие такой структурой, называются сверхпроводниками второго рода. Сверхпроводники второго рода — это вещества, в которых эффект Мейсснера проявляется частично (поля больше, чем 10 7 – 10 8 А/м).

К идеальным сверхпроводникам второго рода относятся такие металлы как ниобий, ванадий и технеций, а также сплавы и соединения с размером неоднородностей не больше атомного ядра. В свою очередь неидеальные сверхпроводники второго рода – это материалы (сплавы и соединения), имеющие в структуре дефекты или неоднородности, превышающие атомный размер.

В отличии от сверхпроводников первого рода, которые имеют фиксированное значение Нк, сверхпроводники второго рода характеризуются диапазоном значений Hk 1 Hk 2 (рис. 10.15).

Рис.10.15. Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для сверхпроводников второго рода

Из рисунка видно, что до значения Нк1 (первое критическое магнитное поле) материал ведет себя как сверхпроводник первого рода, затем в диапазоне Нк1 – Нк2 находится в смешанном состоянии, при этом сверхпроводящие и нормальные области чередуются. Находясь в этом состоянии сверхпроводник сохраняет высокую проводимость, но при этом магнитное поле частично проникает в него. При напряженности магнитного поля выше Нк2 (второе критическое поле) образец переходит полностью в нормальное состояние.

При прохождении переменного тока через сверхпроводник второго рода наблюдается рассеивание энергии, в связи с чем значения I к на переменном токе в 2 – 10 раз меньше, чем на постоянном. Но значения Тк и Вкк) значительно выше у сверхпроводников второго рода, чем у сверхпроводников первого рода. Это свойство сверхпроводников второго рода позволило широко использовать их в электротехнике.

Смешанное состояние этих материалов допускает прохождение тока по всему объему сверхпроводника, в связи с этим плотность тока может достигать значений примерно 10 6 A /см 2 . С помощью введения химических и физических дефектов в структуру сверхпроводника (неидеальные сверхпроводники второго рода) можно существенно повысить критический ток.

Теория сверхпроводников второго рода была описана в работах В. Л. Гинзбурга, Л. Д. Ландау, А. А. Абрикосова, Л. П. Горькова (теория ГЛАГ). Согласно это теории при достижении напряженностью магнитного поля значения Нк1 в сверхпроводниковом образце образуются нормальные области в виде сложной нитевидной структуры «вихревая нить» (рисунок 10.16). Вихревая нить представляет собой цилиндр, погруженный в сверхпроводник, ось которого совпадает с направлением поля.

Рис. 10.16. Смешанное состояние в сверхпроводнике

Внутри таких нитей магнитная индукция достигает максимального значения в центре и уменьшатся до нуля к поверхности. Подобное распределение магнитного поля обеспечивается круговыми токами, протекающими вокруг нитей. При увеличении внешнего магнитного поля число вихревых нитей возрастает, а расстояние между ними уменьшается. До тех пор, пока это расстояние достаточно велико, эффект сверхпроводимости будет сохраняться, но как только расстояние между нитями станет соизмеримым с размером куперовской пары, практически весь объем перейдет в нормальное состояние, при этом магнитное поле полностью проникнет в образец и сравняется с внешним (Нк2).

Особенностью, отличающей сверхпроводники второго рода, является значительное ограничение тока в поперечном магнитном поле, что объясняется взаимодействием между вихревыми нитями, оси которых совпадают с направлением магнитного поля, и токами в проводнике. Это взаимодействие характеризуется лоренцовой силой, направление которой перпендикулярно к току и магнитному полю. Эта сила называется «дрейф вихревых нитей», который сопровождается выделением энергии, вызывающей появление напряжения, которое именуется “напряжение течения потока”.

В неидеальных сверхпроводниках второго рода дефекты структуры сверхпроводника служат узлами закрепления «вихрей», так называемые центры пининга, что приводит к значительному повышению критических токов. Такие жесткие сверхпроводники второго рода имеют очень большое значение поля Нк2 и часто называются сверхпроводниками третьего рода. Существенным недостатком жестких сверхпроводников является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволок и лент.

Отметим, что критическая плотность тока может очень сильно (на несколько порядков) меняться в результате термомеханической обработки. При этом критическая температура Тк и второе критическое поле Нк2 могут практически не измениться. С помощью металлургической обработки можно добиться существенного увеличения критического тока. Например, проволоку из сплава Nb — Ti , используемую во многих сверхпроводящих устройствах, закаленную при 800 0 С подвергают кратковременному (порядка 30 минут) отжигу при температуре около 400 0 С. При этом сверхпроводящая матрица распадается с выделением микроскопических включений несверхпроводящей a — фазы. В результате критический ток возрастает на несколько порядков.

Следует отметить, что в таких материалах может наблюдаться явление скачка магнитного потока, связанного со срывом или перебросом «вихрей» между узлами закрепления под действием внешнего магнитного поля. Это явление связано с выделением энергии, которое может вызвать переход образца в нормальное состояние.

Рассматривая сверхпроводники второго рода, стоит отметить, что в них наблюдаются потери энергии при пропускании переменного тока или при наличии внешнего переменного магнитного поля. Так при частотах до 100 кГц потери носят гистерезисный характер.

Из рисунка 10.17 видно, что если увеличивать напряженность магнитного поля выше критической, а затем уменьшить поле до нуля, то в образце сохраняется остаточная намагниченность. Циклические изменения поля приводят к петле гистерезиса на кривых намагничивания. Мощность тепловыделения в сверхпроводниках второго рода прямо пропорциональна частоте переменного тока, потери зависят от амплитуды изменения поля и не зависят от формы кривой тока. Стоит отметить, что потери на переменном токе не пропорциональны квадрату действующего значения тока и поэтому не могут быть представлены в виде некоторого эффективного активного сопротивления.

Рис 10.17. Кривые намагничивания сверхпроводника

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Сверхпроводимость — вещь странная и, в некоторой мере, даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то, в результате наличия у провода электрического сопротивления, ток совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, в результате чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона — носителя тока — с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается — вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей.

Читайте также:  Как из генератора постоянного тока сделать переменный

Всё дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением, и, вследствие этого, при протекании по ней электрического тока, выделяет тепловую энергию.

В 1911 году нидерландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes, 1853–1926) сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля (который, напомним, составляет –273°С по шкале Цельсия или –460°F по шкале Фаренгейта), он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. Почему такое происходит, он, собственно, не мог даже и догадываться, но факт оказался налицо. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.

Но почему всё так происходит? Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908–1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков.

А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание» (см. Химические связи), мы имеем, что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними.
И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны — волей или неволей — движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают». Однако, в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя.

В результате, после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано — возник положительный потенциал, и к нему притягиваются всё новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное — понять: благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он, тем самым, создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами — по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически не выгодно. Чтобы лучше понять этот эффект можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику «драфтинга» (а именно, «висят на хвосте» у соперника) и, тем самым, снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя куперовские пары.

Тут важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. Теперь представьте себе, что каждая такая пара представляет собой связку наподобие вермишели, на каждом конце которой находится заряд-электрон. Теперь представьте себе, что перед вами целая миска подобной «вермишели»: она вся состоит из переплетенных между собой куперовских пар. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю. За открытие и объяснение эффекта сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию.

С тех пор прошло немало лет, и сверхпроводимость из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии. А дело всё в том, что любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле (см. Закон электромагнитной индукции Фарадея). Поскольку сверхпроводники долгое время проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. И, если вы когда-нибудь подвергались медико-диагностической процедуре, которая называется электронная томография и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), то вы, сами того, возможно, не подозревая, находились в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Современные сверхпроводники сохраняют свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986 году сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р. 1950) и Александр Мюллер (Alexander Müller, р. 1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30K. Сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160К (то есть чуть ниже –100°C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости, до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно. Практического применения высокотемпературные сверхпроводники на сегодняшний день не находят по причине их крайней дороговизны и хрупкости, однако разработки в этом направлении продолжаются.

Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.

Развитие сверхпроводниковой техники связано также с созданием ожижителей и рефрижераторов с все большей хладопроизводительностью на уровне температур жидкого гелия. Эволюция температуры сверхпроводящего перехода привела к возможности использования хладагентов с все более высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот).

Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Уже в 80-х гг. прошлого века в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля.

Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров.

В последние годы явление сверхпроводимости все более широко используется при разработке турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Следует также отметить такое направление в работах по сверхпроводимости как создание устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.

В настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости: прежде всего – в магнитных системах различного назначения и затем – в электрических машинах (в первую очередь, в турбогенераторах).
Ученые из Сколтеха продемонстрировали высокотемпературную сверхпроводимость для гидридов актиния и обнаружили общий принцип, по которому можно вычислить их сверхпроводимость, используя лишь таблицу Менделеева.

Группа химиков под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова обнаружила закономерность в распределении в таблице Менделеева элементов, способных к образованию сверхпроводимых соединений. Оказалось, что высокотемпературная сверхпроводимость возникает у веществ, в состав которых входят атомы металлов, которые близки к заселению новой электронной подоболочки. В этом случае атом в кристалле очень чувствителен к положению окружающих атомов, а это создает сильное электрон-фононное взаимодействие — тот самый эффект, который лежит в основе традиционной сверхпроводимости. Основываясь на такой гипотезе, ученые предположили высокотемпературную сверхпроводимость для гидридов актиния. Проверка подтвердила гипотезу: для AcH16 сверхпроводимость предсказана при температурах вплоть до минус 69-22 оС при давлении в 1,5 миллиона атмосфер.

«Сама идея связи сверхпроводимости с таблицей Менделеева принадлежит студенту моей сколтеховской лаборатории — Дмитрию Семенку. Найденный им принцип настолько простой, что удивительно, как никто не заметил его раньше», — рассказывает Артем Оганов.

Источник

Сверхпроводники проводят ток только в одном направлении

Войти

Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal

  • Свежие записи
  • Архив
  • Друзья
  • Личная информация
  • Memories

Сверхпроводимость

Чудо сверхпроводимости (авт. Валерий Старощук)

Немного теории

Уже первые опыты с электричеством показали, что серебро, медь и алюминий хорошо проводят электрический ток, а фарфор, стекло, резина и шелк его практически не проводят. Соответственно, из первых материалов люди стали делать проводники, а из вторых – изоляцию для проводов и защиту от поражения электрическим током. На фото вы видите современный сетевой двужильный провод. Каждая жила состоит из семи медных проволочек заключенных в пластиковую изоляцию. Учитывая, что провод работает при опасном напряжении 220В, две изолированные жилы покрыты еще одним общим слоем пластиковой изоляции.

Читайте также:  Измерение тока утечки в автомобиле токовыми клещами

01

Когда по проводнику проходит электрический ток, он разогревается. Это свойство используют в нагревательных приборах, таких как утюг, чайник, в электробатареях, а также в лампах накаливания. На фото вы видите вольфрамовую нить, которая так разогрелась под действием тока, что начала излучать свет.

02

Сейчас все чаще применяют энергосберегающие люминесцентные лампы, но и в них есть маленькая нить накала для излучения электронов.

Если по проводнику идет ток, он не только нагревается, но и создает вокруг себя магнитное поле. Это свойство первым заметил и описал в 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед. На фото вы видите, как под действием магнитного поля железные опилки выстраиваются вокруг медного проводника с током.

03

Магнитное поле тока используют в работе электродвигателя, генератора и электромагнита.

Итак, если по проводнику идет ток, то энергия источника тока превращается в тепловую и энергию электромагнитного поля. Иногда это нужно и полезно, а иногда просто вредно. Например, зачем нам нагревание и магнитное поле провода, которым мы подключили утюг к розетке? Греются также провода, по которым электрический ток от электростанции идет к нашим домам. Чтобы уменьшить эти потери энергии, сопротивление проводника стараются сделать как можно меньше.

Так как электрическое сопротивление образца сильно зависит от материала, из которого он сделан, температуры и геометрических размеров, решили измерять удельное сопротивление, то есть сопротивление образца из данного материала длиной 1м, площадью поперечного сечения 1мм 2 при 20 0 С. Например, удельное сопротивление меди равно r = 0,0125 Ом·мм 2 /м. Это значит, что если вы возьмете проводник из меди (Cu) длинной 1 м и площадью сечения 1мм 2 , то его сопротивление электрическому току будет 0,0125 Ом. Сопротивление дает возможность узнать, какой ток пройдет по проводнику для данного напряжения. Например, если напряжение на концах нашего образца будет равно 0,1В, то через него пойдет ток I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A. Для наглядности представим электроны в виде бегущих синих человечков.

04

Тогда при токе 8А за одну секунду их забежит в проводник 5·10 19 (50 миллиард миллиардов!). Это почти в 70 миллиардов раз больше, чем людей на планете Земля. Обратите внимание, что выбежит из проводника их за секунду столько же. Договорились, что направление тока определяют по движению положительно заряженных частиц. Но в металлах ток проводят отрицательные электроны, поэтому направление тока показано противоположно скорости электронов. В проводнике находятся положительные ионы меди, с которыми наши электроны-человечки играются, хватая руками. Ведь между отрицательными электронами и положительными ионами существуют силы притяжения. Забрать ион с собой человечку-электрону не удастся, так как ионы намного тяжелее электронов и крепко связаны силами между собой в кристаллической решетке. А вот раскачать ионы нашим «человечкам» будет под силу. При этом электроны теряют свою скорость, а значит и энергию движения, а проводник соответственно нагревается.

История открытия

05

Голландский ученый Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes) (на фото справа) решил первым в мире достичь в своих экспериментах абсолютный ноль по шкале Кельвина (примерно минус 273 градуса по Цельсию). Как вы знаете, в природе не существует температуры ниже. Сорокалетний ученый, используя свои связи с голландскими промышленниками в 1893 году начинает строительство в Лейденском университете одной из лучших лабораторий в мире, которую оснастил самым современным оборудованием. Первый успех пришел 10 июля 1908 года, когда удалось получить жидкий гелий при 5К (это минус 268 градусов Цельсия!). Через 2 года напряженного труда они получают температуру 1К! И тут ученый понимает, что это предел, который можно достичь на данном оборудовании, поэтому принимается решение изменить направление научной работы. Теперь все силы были направлены на изучение физических свойств разных материалов при низких температурах. Естественно, один из пунктов программы включал измерение удельного электрического сопротивления материала. Многие ученые того времени высказывали предположение, что при очень низких температурах металлы должны стать диэлектриками. Якобы свободные электроны настолько замедлят свое движение, что «приклеятся» к ионам и не смогут переносить электричество. Но физика – наука, прежде всего экспериментальная! Опыты Хейке Камерлинг Оннеса показали, что у платины с понижением температуры сопротивление не растет, а падает, и после 4К остается постоянным. Ученый сделал предположение, что сопротивление должно стремиться к нулю, потому что ионы прекращают колебательное движение и «не мешают» двигаться свободным электронам. Понимая, что в платине есть малые примеси, он решил проверить ртуть, самый очищенный металл, который у него был.

8 апреля 1911 года группа Хейке Камерлинг Оннес, с ассистентами Корнелисом Дорсманом (Cornelis Dorsman) и Гиллесом Хольстом (Gilles Holst) проверяли работу нового криостастата (устройство для поддержания низких температур в данном объеме). Сначала думали только заправить жидким гелием, но потом установили газовый термометр и два образца из золота и ртути, чтобы измерить их удельное сопротивление. Измерив сопротивление металлов при 4,3К, решили уменьшить давление в криостате над гелием. Гелий начал быстро испаряться, и температура упала до 3К. Эксперимент длился уже 9 часов! При повторном измерении сопротивление ртути оказалось равным нулю! Так была открыта сверхпроводимость!

На фото вы видите историческую запись ученого, сделанную в тот день. В рамку взята голландская фраза Kwik nagenoeg nul — «Сопротивление ртути практически нулевое» (3 К). Следующее предложение Herhaald met goud означает «Повторено с золотом».

06

Критическая температура перехода ртути в сверхпроводящее состояние в тот день не была определена, да такой задачи и не ставилось. Ее выяснили в следующем эксперименте, проведенном 11 мая. Камерлинг-Оннес тогда пришел к выводу, что ртуть делается сверхпроводником при охлаждении до 4,2 К.

07

В дальнейшем открытия пошли одно за другим. В 1912 году открыли еще два сверхпроводника – свинец и олово. В 1914 понимают, что сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. В том же году проводят эффектный эксперимент со сверхпроводящим кольцом из свинца. В нем кратковременно индуцировали ток, а потом наблюдали его циркуляцию на протяжении нескольких часов без малейшего затухания. Само кольцо становится магнитом.

В 1919 году из Лейдена пришла весть, что сверхпроводниками становятся также таллий и уран.

Объяснение сверхпроводимости

Объяснить явление сверхпроводимости с точки зрения классической электродинамики невозможно. Только с развитием квантовой физики в 1957 году (спустя 46 лет после открытия!) три американских физика — Бардин, Купер и Шриффер, объяснили сверхпроводимость спариванием электронов, то есть образованием куперовских пар, которое осуществляется за счет обмена колебаниями кристаллической ячейки – фононами.

Чтобы понять, как образуются куперовские пары, рассмотрим очень упрощенную модель прохождения тока в сверхпроводнике.

Красными кружками обозначены положительные ионы кристаллической решетки.

08

Когда электрон А под действием электрического поля движется в пространстве решетки, он немного искривляет её. В результате концентрация положительных ионов за ним возрастает. Скопление положительных ионов притягивает отрицательный электрон В с силой F. В результате энергия, которую потратил электрон А на прохождение ионной кристаллической решетки, передается через колебания решетки электрону В. Получается, что электроны А и В связаны между собой через ионную решетку, образуют пару и вместе не тратят энергии при движении. Сопротивление току в этом случае равно нулю.

Применение сверхпроводников

Современная наука уже получила материалы, которые обладают сверхпроводимостью при 165К (минус 107 0 С). Если будут получены материалы обладающие сверхпроводимостью при комнатной температуре, это будет огромный скачок в развитии человечества. Ведь одну треть электроэнергии мы тратим во время её передачи от источника потребителю. Пока же сверхпроводники приходится охлаждать жидким азотом.

С другой стороны, без них уже трудно представить работу Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, и строительство термоядерного реактора ITER в Кадараше.

Сверхпроводимость характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. В результате образец, как видно на фото, зависает над магнитом.

09

На основе этого явления уже созданы поезда на магнитной подушке, которые могут разгоняться до скорости 500 км/ч.

10

Мощные магниты на сверхпроводниках используют в медицине при создании томографов, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Сканирование тканей человека позволяет врачам увидеть на экране компьютера срез внутренностей, не оперируя больного. Такой метод позволяет быстро поставить правильный диагноз, а значит быстрее вылечить пациента.

Современная квантовая теория сверхпроводимости принципиально не ограничивает значение температуры, при которой наблюдается этот эффект. Значит дело за созданием новых материалов и соединений, которые, возможно, в скором будущем откроете вы.

Источник