Применение сверхпроводимости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Как создать сильное магнитное поле? Сильные магнитные поля можно получать, пропуская через катушку сильный ток. Чем больший ток течет через катушку, тем большее магнитное поле он создает. Но если катушка обладает электрическим сопротивлением, то в ней выделяется тепло. Приходится тратить огромную энергию на поддержание тока, возникают серьезные проблемы, связанные с отводом тепла (иначе катушка может расплавиться). Идея использования сверхпроводимости для создания сильных магнитных полей возникла сразу после ее открытия. Казалось бы, все, что требуется,-- это намотать из сверхпроводящей проволоки катушку, замкнуть ее концы и пустить по такому контуру достаточно сильный ток. Так как электрическое сопротивление катушки равно нулю, то выделения тепла не происходит. И хотя охлаждение соленоида до температур жидкого гелия, при которых наступает сверхпроводимость, создает определенные трудности, преимущества окупили бы недостатки, если бы... магнитное поле само не разрушало сверхпроводимость.

Таким образом, цель нашей работы - исследовать явление сверхпроводимости и ответить на вопрос: как с помощью данного явления создать сильные магниты. Чтобы достигнуть цели, надо решить следующие задачи:

- узнать историю открытия сверхпроводимости

- изучить процесс возникновения сверхпроводимости;

- узнать свойства веществ, находящихся в сверхпроводящем состоянии;

- рассмотреть, где применяются сверхпроводящие магниты, а также само явление сверхпроводимости.

Объектом нашего исследования является сверхпроводимость различных веществ. Предмет исследования - сопротивление веществ, температура, электроны, электрический ток и др.

1.Сверхпроводимость

Согласно классической электронной теории удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь при всех температурах конечным. Такая температурная зависимость сопротивления действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. Однако если сделать температуру достаточно низкой (несколько Кельвинов), то эта зависимость становится совсем иной. Прежде всего оказывается, что удельное сопротивление перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Оно различно для разных веществ и даже для разных образцов одного и того же вещества. Это остаточное сопротивление особенно велико у сплавов, но существует и в чистых металлах. Опыт показывает, что остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл и чем меньше структурных дефектов содержит исследуемый образец.

Если понижать температуру еще больше, то в некоторых веществах наблюдается удивительное явление сверхпроводимости, открытое Каммерлинг-Оннесом. В 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес провел опыты с ртутью, которую можно получить в чистом виде. Он столкнулся с новым, совершенно неожиданным явлением. Удельное сопротивление ртути при температуре 4,2 К (около -269 °С) резко упало до такой малой величины, что его практически стало невозможно измерить. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.

При некоторой определенной температуре, различной для разных веществ, удельное сопротивление внезапно, скачком, уменьшается практически до нуля (рис. 1)

Сверхпроводники встречаются среди следующих химических типов веществ:

ь химические элементы:

ь чистые металлы, такие, как свинец, алюминий, цинк, ртуть(всего известно 23 сверхпроводящих металла);

ь переведенные в твердое состояние газы, например водород,ксенон;

ь сплавы и химические соединения металлов, например сплав висмута и золота, нитрид ниобия, карбид вольфрама;

ь некоторые керамические вещества.

Температурный интервал, разделяющий обычное и сверхпроводящее состояния сверхпроводника, для химически чистых образцов не превышает тысячных долей градуса, поэтому этот интервал заменяется одной точкой на шкале температур, называемой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, или критической температурой Ткр.

В таблице приведены температуры перехода в сверхпроводящее состояние Ткр для некоторых веществ.

Таблица 1

До 1986 года наивысшей критической температурой считалась температура сплава ниобия и германия - 23,3 К. Затем открыли сверхпроводимость керамического проводника при 90 К. За этим довольно неожиданным открытием последовали открытия других материалов, проводящих при более высокой температуре. Факт, что сверхпроводимости можно достичь, охладив материал жидким азотом, закипающим при 77 К, дал основание называть их «высокотемпературными сверхпроводниками». В настоящее время высшая критическая температура равна приблизительно 130К.

2.Возникновение сверхпроводимости

Движение электронов в металле, находящемся в состоянии сверхпроводимости, является до такой степени упорядоченным, что электроны, перемещаясь по проводнику, почти не испытывают соударений с атомами и ионами решетки. Должное объяснение явления сверхпроводимости можно дать с позиций квантовой механики.

Сверхпроводимость возникает из-за наличия между электронами помимо обычного электростатического отталкивания по закону Кулона дополнительного косвенного взаимодействия, которое обусловлено тем, что электрон своим электростатическим полем деформирует решетку и появляющаяся в результате деформации поляризация в свою очередь создает потенциал, притягивающий второй электрон. Такое косвенное притяжение между электронами может при низких температурах превысить их отталкивание по закону Кулона. В этом случае состоянием с минимальной энергией является связанное состояние двух электронов. Электронные пары, находящиеся в связанном состоянии, называют куперовскими. Уровни энергии куперовской пары принадлежат не квазинепрерывному спектру, как первоначальные уровни энергии зонных электронов, а дискретному. Энергия возбужденного зонного состояния электронов в них отделена от основного энергетической щелью Д.

На рис. 2 приведена схема заполнения уровней энергии в зоне в нормальном (а) и сверхпроводящем (б) металлах. В сверхпроводнике в отличие от нормального металла между заполненными и незаполненными состояниями имеется энергетическая щель. Сверхпроводимость осуществляется спаренными электронами с энергией, соответствующей верхней границе энергии заполненных состояний.

При наличии щели рассеяние электронов на неоднородностях кристалла не всегда возможно, так как каждое из них сопровождается переходом рассеянного электрона в иное, близкое зонное состояние (если оно существует и свободно). В случае связанных электронов куперовской пары для акта рассеяния необходима дополнительная энергия Д, поэтому при малых скоростях движения пары, т. е. в слабых электрических полях, куперовские пары могут без трения двигаться по всему кристаллу, а это означает полное отсутствие для таких полей (и напряжений) электрического сопротивления. При повышении температуры значение Д уменьшается и при Т = Ткр становится равным нулю.

Пропускание через сверхпроводник сильного тока разрушает сверхпроводящее состояние. Это связано с тем, что в данном случае куперовские пары приобретают большую скорость и разрыв пары может произойти за счет ее кинетической энергии. Плотность тока, разрушающего сверхпроводящее состояние, называют критической.

3.Свойства веществ, находящихся в сверхпроводящем состоянии

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительно необычными свойствами. Во-первых, в сверхпроводниках однажды возбужденный электрический ток может длительно существовать без источника тока. Это происходит потому, что вследствие исчезновения сопротивления время затухания тока T=L/r становится огромным. Такое явление наблюдали в первых же опытах со сверхпроводниками: небольшой замкнутый контур из сверхпроводника погружали в сосуд с жидким гелием и возбуждали в контуре ток с помощью электромагнитной индукции. Этот ток обнаруживали по отклонению магнитной стрелки, помещенной вблизи сосуда, причем стрелка оставалась в отклоненном состоянии в течение многих суток.

На рисунке показана схема другого опыта со сверхпроводниками.

Рис 3. Опыт для обнаружения длительного тока в сверхпроводнике

Здесь сверхпроводник с соединен с гальванометром G, но замкнут в точках а и б проволокой, находящейся также в сверхпроводящем состоянии. После возбуждения тока в сверхпроводнике с помощью электромагнитной индукции этот ток циркулирует лишь по замкнутой цепи абса из сверхпроводника и не ответвляется в гальванометр, который поэтому не показывает никакого отклонения. Если же через некоторое время разорвать при помощи нити Н перемычку аб, то ток устремляется по единственно возможному пути -- через гальванометр, который обнаруживает кратковременный отброс.

Вторая важная особенность сверхпроводимости состоит в том, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Чем сильнее, охлажден сверхпроводник ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние, тем больше и «критическое» магнитное поле, при котором исчезает сверхпроводимость. При температуре перехода в сверхпроводящее состояние критическое поле равно нулю.

Магнитным полем, разрушающим сверхпроводимость, может быть и поле самого тока в сверхпроводнике. Когда сила тока становится такой, что магнитное поле у поверхности провода достигает критического значения, сверхпроводимость исчезает. Из сказанного ясно, что эта максимальная (критическая) сила тока при температуре перехода равна нулю, но увеличивается по мере понижения температуры. Кроме этого, для данного вещества и данной температуры она прямо пропорциональна диаметру провода. Укажем для примера, что у олова при 1 К Нкр составляет около 2 104 А/м. Поэтому для оловянной проволоки диаметром 2а=3 мм критическая сила тока при этой температуре равна

iкр = 2раHкр = 2р 1,5 10-3 2 104 180А.

Электроны в сверхпроводящем веществе ведут себя подобно смеси двух жидкостей, одна из которых состоит из сверхпроводящих электронов, а другая -- из нормальных электронов.

Концентрации сверхпроводящих электронов пс и нормальных пн зависят от температуры. При TTКр, пс=0 и все электроны находятся в нормальном состоянии. При Т 0, пн 0 и все электроны становятся сверхпроводящими.

Вещество в сверхпроводящем и нормальном состояниях с термодинамической точки зрения можно рассматривать как разные фазы данного вещества, а превращение сверхпроводящее вещество -- нормальное вещество -- как фазовый переход. Однако, в отличие, например, от фазовых переходов пар -- жидкость или жидкость -- твердое тело, скрытая теплота такого перехода в отсутствие магнитного поля равна нулю. Теплоемкость же вещества при Т=TКр меняется скачкообразно. Такие фазовые переходы называются переходами 2-го рода. Если же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное происходит во внешнем магнитном поле, т. е. при Т<ТКр, то для перехода при неизменной температуре необходимо подведение тепла извне. В этом случае скрытая теплота перехода уже не равна нулю, и мы имеем фазовый переход 1-го рода.

Третье важное свойство сверхпроводников заключается в том, что внутри вещества в сверхпроводящем состоянии магнитная индукция всегда равна нулю.

Положим, что какое-либо тело из сверхпроводника мы сначала охладили и перевели в сверхпроводящее состояние, а затем включили внешнее магнитное поле, индукция которого (в отсутствие тела) есть Ва=µ0На. При включении магнитного поля в сверхпроводнике возникнут индукционные токи, создающие дополнительную индукцию Bi= µ0Hi ., которая в соответствии с законом Ленца будет компенсировать внешнюю индукцию Ва. В обычном проводнике компенсирующие индукционные токи быстро затухают, и остается лишь поток, обусловленный намагничивающей катушкой. В случае же сверхпроводника компенсирующие токи не затухают вовсе, и поэтому результирующая индукция внутри тела все время будет В= Ва+Bi=0. Во внешнем же пространстве линии результирующей индукции будут иметь вид, они выталкиваются из тела и его огибают.

Это свойство сверхпроводящего состояния связано не только с исчезновением электрического сопротивления. Представим себе проводник, единственное отличие которого от нормального металла заключается лишь в том, что его сопротивление равно нулю. Положим далее, что мы сначала создаем внешнее магнитное поле и только потом охлаждаем проводник до исчезновения его сопротивления. Так как при этом внешнее поле не изменяется, то и индукционные токи возникать не будут, а следовательно, и после исчезновения сопротивления магнитный поток внутри проводника должен сохраниться. Опыт, однако, показывает, что в сверхпроводниках и в этом случае магнитный поток исчезает. Равенство нулю магнитной индукции есть специфическое свойство сверхпроводящего состояния.

Теперь ясно, почему магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Ведь на возбуждение поверхностных токов тратится определенная энергия. В этом смысле сверхпроводящее состояние менее выгодное, чем нормальное состояние, когда магнитное поле проникает в металл и экранирующих поверхностных токов нет. Чем больше индукция внешнего поля, тем более сильный ток должен течь по поверхности, чтобы обеспечить экранировку. При некотором значении индукции магнитного поля сверхпроводимость обязательно разрушится, и металл перейдет в нормальное состояние. Поле, при котором происходит разрушение сверхпроводимости, называется критическим полем сверхпроводника. Важно понимать, что для разрушения сверхпроводимости необязательно внешнее магнитное поле. Ток, текущий по сверхпроводнику, сам создает магнитное поле. Когда при определенном значении тока индукция этого поля достигает значения, соответствующего критическому полю, сверхпроводимость разрушается.

Величина критического поля растет с уменьшением температуры, но даже вблизи абсолютного нуля критическое поле у чистых сверхпроводников металлов невелико. В лучших случаях оно составляет всего десятые доли тесла. Так что, казалось бы, нечего и думать о создании сильных магнитных полей с помощью сверхпроводников.

Но дальнейшее исследование учеными сверхпроводимости показало, что ситуация не безвыходна. Было обнаружено, что имеется целая группа сверхпроводников, которые и в очень сильных магнитных полях сохраняют сверхпроводимость.

4.Абрикосовские вихри

В 1957 г. известный физик-теоретик А.А. Абрикосов теоретически показал, что в сплавах разрушить сверхпроводимость магнитным полем не так-то просто. Так же, как у чистых сверхпроводников, при некотором значении индукции магнитное поле начинает проникать внутрь сверхпроводника. Но в сплавах магнитное поле обычно не сразу заполняет весь объем сверхпроводника. В толще его вначале образуются лишь отдельные сгустки линий индукции магнитного поля. В каждом таком сгустке содержится строго определенная порция кванту магнитного потока Фо=2 10 -15Вб. Чем больше внешнее магнитное поле, тем больше таких сгустков, а следовательно, и квантов магнитного потока проникает в сверхпроводник. Поэтому магнитный поток в сверхпроводнике меняется не непрерывно, а скачками, дискретно. Здесь мы сталкиваемся с удивительным явлением - законы квантовой механики «работают» уже в макроскопических масштабах.

Каждый сгусток линий индукции магнитного поля в сверхпроводнике окружен кольцевыми незатухающими токами, которые напоминают вихри в жидкости или газе. Вот почему такие сгустки линий, окруженные сверхпроводящими токами, называют абрикосовскими вихрями. Внутри каждого вихря сверхпроводимость, разумеется, разрушена. Но в пространстве между вихрями она сохраняется. Только при очень сильных полях, когда вихрей становится так много, что они начинают перекрываться, наступает полное разрушение сверхпроводимости.

Итак, в отличие от чистых металлов, сплавы имеют не одно, а два критических поля: нижнее критическое поле, при котором первый вихрь проникает в сверхпроводник, и верхнее критическое поле, при котором происходит полное разрушение сверхпроводимости. В промежутке между этими значениями полей сверхпроводник пронизан вихревыми линиями и находится в особом смешанном состоянии. Сверхпроводники с такими свойствами теперь называют сверхпроводниками второго рода, в отличие от сверхпроводников первого рода, в которых разрушение сверхпроводимости в магнитном поле происходит сразу, скачком.

В 50-х годах началась настоящая охота за сверхпроводящими материалами, обладающими высокими критическими полями и температурами. Какими только способами их ни получали! И дуговой сваркой, и быстрым охлаждением, и напылением на горячую подложку. Были открыты, например, сплавы Nb3Se и Nb3Al, имеющие критическую температуру ТКр=18 К и верхние критические поля более 20 Тл.

Казалось бы, проблема создания сверхпроводящих магнитов тем самым решена. Но тут природа поставила на пути исследователей еще одну преграду. Ведь для сверхпроводящего соленоида необходима проволока, которая выдерживала бы не только сильное магнитное поле, но и сильный ток. А это, оказывается, не одно и то же.

5.Что такое пиннинг?

сверхпроводимость магнитный закон

Известно, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. А куда приложена сила противодействия, возникающая по третьему закону Ньютона? Если, например, магнитное поле создается другим проводником с током, то на него действует равная по величине и противоположная по направлению сила (силы взаимодействия между проводниками с током определяются законом Ампера). В нашем случае ситуация более сложная.

Когда сверхпроводник находится в смешанном состоянии и по нему течет ток, то в тех областях, где имеется магнитное поле (сердцевины вихрей), возникают силы взаимодействия между током и полем. В результате распределение тока изменяется, но и области, в которых сосредоточено магнитное поле, не остаются неподвижными, а начинают перемещаться. Абрикосовские вихри под действием тока движутся.

Сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна индукции магнитного поля и направлению проводника. Сила, действующая со стороны тока на абрикосовский вихрь, тоже перпендикулярна индукции магнитного поля и направлению тока. Если, например, в сверхпроводнике в смешанном состоянии создать ток, протекающий слева направо, то абрикосовские вихри под действием тока начнут двигаться снизу вверх или сверху вниз (в зависимости от направления индукции магнитного поля). Но движение абрикосовского вихря сквозь сверхпроводник -- это перемещение нормальной, не сверхпроводящей, сердцевины. При таком движении возникает своеобразное трение, которое приводит к выделению тепла. Значит, при протекании тока через сверхпроводник, находящийся в смешанном состоянии, все-таки появляется сопротивление, и использовать такие сверхпроводники для создания соленоидов нельзя.

В чем же выход? Надо помешать вихрям двигаться, закрепив их на месте. Сделать это, оказывается, можно. Надо только «испортить» сверхпроводник, создать в нем какие-то дефекты. Дефекты обычно возникают сами по себе в результате механической или термической обработки материала.

Показана электронномикроскопическая фотография пленки нитрида ниобия (критическая температура которой 15 К), полученной напылением металла на стеклянную пластинку. Ясно видна зернистая (столбчатая) структура материала. Перескочить через границу зерна вихрю довольно сложно. Вот почему до определенного значения тока (критического тока) вихри остаются неподвижными. Электрическое сопротивление в таком случае равно нулю.

Это явление называют пиннингом - от англ. слова pinning, что в переводе означает «пришпиливание».

Благодаря пиннингу можно получать сверхпроводящие материалы с высоким значением как критического поля, так и критического тока. При этом, если значение критического тока (точнее, его плотности, то есть силы тока, приходящейся на единицу площади сечения) во многом зависит от способа приготовления, методов обработки материала. Сейчас разработана технология, позволяющая получать сверхпроводящие материалы, имеющие высокие значения всех критических параметров. Например, на основе сплава ниобия с оловом можно получить материал с плотностью критического тока в сотни тысяч ампер на квадратный сантиметр, верхним критическим полем 25 Тл и критической температурой 18 К.

6.Применение сверхпроводимости

Сверхпроводящие вещества находят широкое применение в науке и технике:

ь в конструкции вычислительных машин - в качестве запоминающих и переключающих устройств;

ь в конструкции гироскопов и двигателей -- в качестве сверхпроводящих подвесов.

ь для создания сильных магнитных полей.

Практическое использование сверхпроводящих материалов затруднено из-за их низких критических температур. В настоящее время обнаружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при температуре выше 100 К, а также ведутся интенсивные поиски сверхпроводников с температурами, более высокими (возможно даже комнатными). Весьма перспективны в этом отношении полимерные сверхпроводники..

7.Применение сверхпроводящих соленоидов

«Профессии» сверхпроводящих магнитов разнообразны. Они играют важную роль в физике высоких энергий, помогают исследовать твердые тела, применятся в электротехнике и даже на транспорте. О проектах поездов на магнитной подушке, наверное, слышали все. Сверхпроводящие соленоиды, установленные в вагоне, создают мощное магнитное поле, которое при движении поезда наводит индукционные токи специальных рельсов. Согласно правилу Ленца магнитное поле этих токов направлено так, чтобы препятствовать приближению соленоида к рельсу, и поезд… повисает над полотном.

Сильные магнитные поля используются для защиты космонавтов от повышенного фона космического излучения на борту космического корабля. Защитой от излучения может служить магнитное поле, искривляющее траекторию заряженных частиц и "уводящее" радиацию. С этой целью на космическом корабле должна находиться установка, создающая магнитную защиту с помощью сверхпроводящих соленоидов; самые мощные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, используются в системах магнитно-резонансной томографии в больницах и при исследовании мозга.

В электротехнике использование сверхпроводящих магнитов становится целесообразным при создании электрических двигателей и генераторов гигантской мощности в сотни и более мегаватт. Сверхпроводящие обмотки в статоре создают сильное постоянное магнитное поле, в котором вращается ротор из нормального металла. При этом достигается значительное уменьшение размеров и массы установки. Такие двигатели мощностью в несколько мегаватт уже созданы и разрабатываются проекты более мощных машин.

Еще большие преимущества дает применение сверхпроводящей обмотки ротора, но при реализации этой идеи возникает много технических проблем.

Мы знаем, что магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы (токи) силой Лоренца. Она направлена перпендикулярно скорости частицы и искривляет ее траекторию. Чем больше индукция магнитного поля, тем меньше радиус окружности, по которой движется частица в магнитном поле. Именно такой принцип магнитного «удержания» частиц "применяется в ускорителях, пузырьковых камерах, установках управляемого термоядерного синтеза. Преимущества использования для этих целей сверхпроводящих магнитов, создающих сильные магнитные поля без затрат огромных энергий, очевидны.

Энергетика будущего -- это не только новые источники энергии. Необходимо разработать новые эффективные способы хранения и передачи электроэнергии. Сверхпроводники и здесь предлагают свои услуги. Разработан проект системы хранения электроэнергии, в котором гигантская сверхпроводящая катушка диаметром более 100 метров будет установлена в специальном тоннеле, пробитом в горах. В нем с помощью холодильных установок с жидким гелием будет поддерживаться температура, близкая к абсолютному нулю. Незатухающий сверхпроводящий ток в такой катушке запасет гигантскую энергию в 100 мегаватт-часов.

А передача энергии без потерь по сверхпроводящим кабелям? Оценки показывают, что такой способ становится рентабельным при передаче мощности свыше нескольких тысяч мегаватт на расстояния более 20 километров. Прототип кабеля уже создан.

Однако пока что можно только мечтать о линиях электропередач, которые, «купаясь» в жидком гелии, переносили бы электричество без потерь на огромные расстояния. Но сверхпроводимость ведь еще не сказала последнего слова. Вполне возможно, что появятся материалы, которые будут становиться сверхпроводниками при комнатных температурах. И тогда сразу все изменится. Фантазия станет реальностью.

Заключение

сверхпроводимость магнитный закон

Цель работы достигнута - исследовано явление сверхпроводимости и найден способ создания сильных магнитных полей. Все задачи выполнены: мы узнали процесс возникновения сверхпроводимости а также свойства веществ, находящихся в сверхпроводящем состоянии. Оказалось, что явление сверхпроводимости дает много возможностей для развития науки и техники. Мы считаем, что наука не остановится на достигнутом, и когда-нибудь человечество все-таки изобретет материал, критическая температура которого будет равна комнатной температуре. Тогда произойдет переворот в современной технике.

Список использованной литературы

1. Асламазов Л.Г., Варламов А.А. Удивительная физика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - С.147-149

2. Брейтот Дж. 101 ключевая идея: Физика / Джим Брейтот. - Пер. с англ. О. Перфильева. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2001. - С. 152 - 153

3. Дмитриева В.Ф. Физика: Учебник для студ. образоват. Учреждений сред. Проф. Образования/ Валентина Феофановна Дмитриева. - 6-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - С. 151

4. Дубровский И.М., Егоров Б.В., Рябошапка К.П. Справочник по физике. - Киев: Изд-во «Наукова думка», 1986. - С. 443-445

5. Калашников С.Г. Электричество. Общий курс физики. - М.: «Наука», 1977, С. 316 - 321

6.Савельев И.В. Курс общей физики. Том II. - М.: «Наука», 1966, С. 87 - 88.

Размещено на Allbest.ru