Сверхпроводники и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Российский государственный профессионально-педагогический университет"

Институт электроэнергетики и информатики

Контрольная работа

по дисциплине: Энергосберегающие технологии

на тему: "Сверхпроводники"

Выполнил: студент Севостьянов Н.В.

Екатеринбург 2015

Введение

Сверхпроводник - материал, который при определенных условиях приобретает сверхпроводящие свойства. Это достигается понижением температуры до Tc, при которой сопротивление материала понижается до нуля. В настоящее время проводятся исследования в области сверхпроводимости для того, чтобы повысить температуру перехода в сверхпроводящее состояние до комнатной.

История развития

Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто нидерландским физиком Х. Камерлинг-Оннесом в 1911 году, аудовлетворительное объяснение, отмеченное именами американских физиков Л .Купера, Дж. Бардина, Дж. Шриффера, советского математика и физика Н.Н. Боголюбова, получило практическое использование этого явления в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений - настолько трудна была проблема.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов 23К, а также у керамик (77,4 К - высокотемпературные сверхпроводники.) Синтезом всё новых и новых материалов уже удалось поднять сверхпроводимость до 160 К (почти -100 °C. В составе всех этих высокотемпературных сверхпроводников ВТСП обязательно присутствуют ионы меди Сu?Є(роль их в возникновении сверхпроводимости пока не ясна), которые служат как бы микроскопическими магнитами. Сверхпроводимость материалов с 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки - фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с какими-либо другими частицами. У сверхпроводимости три врага: высокие температуры, мощные магнитные поля и большие токи. Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник становится обычным проводником. По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Теория сверхпроводимости

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

1) повышение температуры;

2) действие достаточно сильного магнитного поля;

3) достаточно большая плотность тока в образце;

При крайне низких температурах целый ряд веществ

Обладает сопротивлением по крайней мере в 10-12 раз меньше, чем при комнатной температуре. Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.

С повышением температуры до некоторой Tс почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец (наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах).

Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс.

Минимальное поле Bс, в котором разрушается сверхпроводимость называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой.

Вс = B0 [ 1 - (T/Tс)2 ],

где В 0 - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.

Для некоторых веществ по-видимому имеет место зависимость от Т в первой степени.

При действии магнитного поля на сверхпроводник наблюдается особого вида гистерезис, а именно если повышая магнитное поле уничтожить сверхпроводимость

при H=Ht (H - сила поля, Ht - повышенная сила поля:

Ht = a (Tс 2 - T2)),

то с понижением интенсивности поля сверхпроводимость появится вновь при поле H

tґ< Ht, dH = Ht - Htґ

меняется от образца к образцу и обычно составляет 10% Ht. Повышение силы тока также приводит к исчезновению сверхпроводимости, то есть при этом понижается Tс. Чем ниже температура, тем выше та предельная сила тока it при которой сверхпроводимость уступает место обычной проводимости. сверхпроводник электрический сопротивление

Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Sn(белое), Pb, Tl, Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb (иногда Cd).

Применение сверхпроводников

Использование явления сверхпроводимости открывает широкие возможности в технике. Широкое применение находят источники мощных постоянных магнитных полей в виде соленоидов с обмотками из сверхпроводящих материалов. Ведутся работы по использованию сверхпроводников для линий электропередач и во многих других электротехнических устройствах.

Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 К (-263,83 °С). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994-74). Сплав 65БТ содержит 22-26% Ti; 63-68% Nb; 8,5-11,5% Zr и имеет критическую температуру перехода 9,7 К (-263,3 С С). Для Т = 4,2 К критические значения плотности тока составляют 2,8·106 А/м 2, напряженность магнитного поля (6-7,2)·106 А/м. Проволоку из сплава 35БТ состава 60-64% Ti; 33,5-36,5% Nb; 1,7-4,3% Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.

Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, поезда на магнитной подушке), туннельных диодов (для ЭВМ).

Способность сверхпроводников, являющихся диамагнетиками, выталкивать магнитное поле, используют в магнитных насосах, позволяющих генерировать магнитные поля колоссальной напряженности, а также в криогенных гироскопах. Якорь гироскопа, изготовленный из сверхпроводника, "плавает" в магнитном поле. Отсутствие опор и подшипников устраняет трение и повышает долговечность гироскопа.

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa2 Cu3 Ox, получены вещества, для которых температура Тc перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т.н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим.

Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации.

Сверхпроводник наименьшего размера был создан в 2010 году на основе органического сверхпроводника (BETS)2 GaCl4, где аббревиатура BETS означает бисэтилендитиотетраселенафульвален. Созданный сверхпроводник состоит всего из четырёх пар молекул этого вещества при общей длине образца порядка 3,76нм.

Сверхпроводники первого рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле "выталкивают" последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Сверхпроводящие материалы, составляющие один из двух классов, на которые подразделяются все сверхпроводники в зависимости от их поведения в магнитное поле. Цилиндр из С. п. р., помещённый в продольное магнитное поле с напряжённостью Я, меньшей термодинамического критического поля НС (см. Критическое магнитное поле),обнаруживает полный Мейснера эффект (если образец не имеет неоднородностей), в отличие от сверхпроводников второго рода, у которых наблюдается неполный эффект Мейснера в определённом интервале магнитных полей. При увеличении магнитного поля выше Н Сцилиндр из С. п. р. полностью переходит в нормальное состояние. Если образец из С. п. р. имеет произвольную форму, то при помещении его в магнитном поле вблизи некоторых участков поверхности образца напряжённость Н может оказаться больше НС (см. Размагничивание), в то время как вблизи др. участков поверхности Н < НС. В таком случае образуется структура с чередующимися нормальными и сверхпроводящими областями (доменами) - т. н. промежуточное состояние. Интервал магнитных полей, в котором реализуется промежуточное состояние С. п. р., зависит от формы образца и его ориентации относительно магнитного поля. В пластине, помещённой в магнитное поле, перпендикулярное её поверхности, промежуточное состояние реализуется в интервале 0 < Н < НС; для шара этот интервал 2/3НС < Н < НС; своеобразное промежуточное состояние реализуется в цилиндрической проволоке, несущей ток, такой, что создаваемое им магнитное поле на поверхности превышает НС. На границе нормальной и сверхпроводящей областей магнитное поле затухает в глубь сверхпроводящего домена на расстоянии порядка глубины проникновения, а сверхпроводящий параметр порядка восстанавливается на длине когерентности (см. Сверхпроводимость). Доменная граница имеет положительную поверхностную энергию в отличие от С. 2-го рода, у которого она отрицательна. Микроскопическим параметром, определяющим принадлежность сверхпроводников к 1-му или 2-му роду, является параметр Гинзбурга-Ландау

; у С. п. р.

Переходы между нормальным и сверхпроводящим состоянием в магн. поле у С. п. р. являются фазовыми переходами 1-го рода. При охлаждении образца С. п. р., помещённого в магнитное поле, происходит выталкивание магнитного потока за счёт движения доменных границ. Если такое движение затруднено неоднородностями образца, то происходит "замораживание" магнитного потока; в таком неравновесном состоянии может наблюдаться неполный эффект Мейснера. Практически все чистые металлы за исключением Nb относятся к С. п. р. Н.Б. Копнин.

Сверхпроводники второго рода

У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. Сверхпроводимость до сих пор привлекает к себе пристальное внимание со стороны физиков-теоретиков. Ввиду сложности явления разрабатываются как можно более простые модели, из которых были бы предельно ясны его основные черты. Одно из упрощений связано с понятием размерности. Интуитивно ясно, что двухмерную, плоскую кристаллическую структуру исследовать, вообще говоря, легче, чем трехмерную, пространственную; одномерную, линейную- проще, чем двухмерную. Вот почему, рассуждая о сверхпроводимости, теоретики часто обращаются к модели так называемого одномерного кристалла. Его частицы взаимодействуют друг с другом лишь в одном каком-то направлении, а в двух других, поперечных направлениях взаимодействие между частицами пренебрежимо малы.

Тип сверхпроводников, в которые магнитное поле может частично проникать, не разрушая сверхпроводимости. К сверхпроводников II рода основном относятся сплавы. Сверхпроводники II рода позволяют поддерживать большие сверхпроводящие токи и магнитные поля по сравнению с сверхпроводниками I рода, в связи с чем перспективные в прикладных приложениях, например в сильных электромагнитах.

Как и любые сверхпроводники при температуре ниже критической температуры сверхпроводник второго рода выталкивает магнитное поле. Это явление называется эффектом Мейснера. Однако, при увеличении напряженности магнитного поля до величины, называется первым критическим полем и обозначается H c 1, магнитное поле начинает проникать в сверхпроводник локально в виде вихрей Абрикосова, в сердцевине которых существует нормальная фаза, тогда как остальные объема остается сверхпроводящей. Объемная сверхпроводимость исчезает только тогда, когда напряженность магнитного поля превышает значение второго критического поля, которое обозначают H c 2. Поверхностная сверхпроводимость существует в еще более сильных полях.

В сверхпроводниках II рода граница раздела между сверхпроводящей и нормальной фазой имеет отрицательную поверхностную энергию.

В рамках теории Гинзбурга-Ландау объяснения поведения сверхпроводников второго рода, в том, что у них параметр Гинзбурга-Ландау , Т.е. глубина проникновения больше длины когерентности.

Заключение

В заключение отмечу, что еще в 2001 г. К.Х. Рознер сделал сравнительный прогноз по поводу применения низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников в ближайшие десятилетия. Из него следовало постепенное сравнительное увеличение использования высокотемпературной сверхпроводимости над низкотемпературной, вызванное преимуществами работы ВТСП устройств при более высоких температурах эксплуатации, что обеспечивает соответствующее понижение финансовых и технологических затрат. При этом, однако, предполагалось сохранение преимуществ низкотемпературных сверхпроводящих металлов и сплавов, обусловленных их гораздо меньшей дефектностью по сравнению с хрупкой оксидной структурой ВТСП. Прошедшее десятилетие показало, что пока еще ВТСП изделия остаются слишком дорогими для практики, и лишь немногие образцы (например, токовводы и томографы) являются конкурентоспособными.

Список используемой литературы

1. Зайцев, Орлов " Введение в сверхпроводимость

2. Г.Н. Кадыкова "Сверхпроводящие материалы" М. МИЭМ 2005г.

3. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

4. М.Г. Мнеян, Сверхпроводники в современном мире, М. Просвещение, 1991 "Сверхпроводимость"; Павлов Ю.М, Шугаев В.А.

5. "Сверхпроводимость в технике"; Труды второй всесоюзной конференции потехническому использованию сверхпроводимости.

Размещено на Allbest.ru