Применение сверхпроводимости в науке и технике

На сегодняшний день ученым известно уже несколько сотен элементов, сплавов и керамик, способных вести себя подобным образом. Перешедший в сверхпроводящее состояние проводник начинает проявлять то что называется эффектом Мейснера, когда магнитное поле из его объема полностью вытесняется наружу, что, конечно, противоречит классическому описанию эффектов, связанных с обычной проводимостью в условиях гипотетически идеального, то есть нулевого сопротивления.

В период с 1986 по 1993 годы был открыт целый ряд высокотемпературных сверхпроводников, то есть таких, которые переходят в сверхпроводящее состояние уже не при столь низких температурах как температура кипения жидкого гелия (4,2К), а при температуре кипения жидкого азота (77 К) — в 18 раз более высокой, чего в лабораторных условиях можно добиться гораздо проще и дешевле чем с гелием.

Усиленный интерес к вопросу практического применения сверхпроводимости начался в 1950-е годы, когда сверхпроводники второго рода с их высокими показателями плотности тока и магнитной индукции ярко вышли из-за горизонта. Далее они стали приобретать все большее практическое значение.

Закон электромагнитной индукции сообщает нам, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. А поскольку сверхпроводники проводят ток без сопротивления, то достаточно просто поддерживать подобные материалы при правильных температурах, и таким путем получать детали для создания идеальных электромагнитов.

Например в медицинской диагностике технология магнитно-резонансной томографии предполагает использование в томографах мощных сверхпроводящих электромагнитов. Без них врачам бы не удалось получать столь впечатляющие изображения внутренних тканей человеческого организма с высоким разрешением не прибегая к использованию скальпеля.

Большое значение получили такие сверхпроводящие сплавы как ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово, из которых технически несложно получить стабильные тонкие сверхпроводящие нити и многожильные проводники.

Ученые давно создали ожижители и рефрижераторы с высокой хладопроизводительностью (на уровне температур жидкого гелия), именно они способствовали развитию сверхпроводниковой техники еще в СССР. Уже тогда, в 80-е, были построены крупные электромагнитные системы.

Разрабатываются и создаются турбогенераторы (в 80-е на основе сверхпроводников созданы сверхмощные турбогенераторы КГТ-20 и КГТ-1000), электродвигатели, кабели, магнитные сепараторы, транспортные системы и т. д.

Расходомеры, измерители уровня, барометры, термометры — для всех этих высокоточных приборов отлично подходят сверхпроводники. Главными же крупными направлениями промышленного применения сверхпроводников остаются два: магнитные системы и электрические машины.

Раз сверхпроводник не пропускает магнитного потока, значит изделие такого рода экранирует магнитное излучение. Данное свойство сверхпроводников применяется в точных микроволновых устройствах, а также при защите от столь опасного поражающего фактора ядерного взрыва, как мощное электромагнитное излучение.

В результате низкотемпературные сверхпроводники остаются незаменимыми при создании магнитов в таком научно-исследовательском оборудовании, как ускорители частиц и установки термоядерного синтеза.

Поезда на магнитной подушке, активно эксплуатируемые сегодня в Японии, уже способны двигаться со скоростью 600 км/ч и давно доказали свою реализуемость и эффективность.

Отсутствие электрического сопротивления у сверхпроводников делает процесс передачи электрической энергии более экономичным. Так, единственный сверхпроводящий тонкий кабель, проложенный под землей, принципиально смог бы передавать мощность, для передачи которой традиционным способом понадобился бы толстый жгут проводов — громоздкая линия.

На данный момент остаются актуальными лишь проблемы стоимости и обслуживания, связанные с необходимостью непрерывно прокачивать через систему азот. Тем не менее в 2008 году в Нью-Йорке фирма American Superconductor успешно запустила первую коммерческую сверхпроводящую ЛЭП.

Кроме того, существует технология промышленных аккумуляторов, позволяющая уже сегодня накапливать и хранить (аккумулировать) энергию в форме незатухающего циркулирующего тока.

Комбинируя сверхпроводники с полупроводниками, ученые создают сверхбыстрые квантовые компьютеры, являющие миру новое поколение вычислительной техники.

На данный момент, конечно, можно говорить о значительных успехах в плане продвижения к получению высокотемпературных сверхпроводников.

Так, например, металлокерамический состав YBa2Cu3Ox переходит в сверхпроводящее состояние при температуре выше температуры сжижения азота!

Однако большинство подобных решений связано с тем, что получаемые образцы хрупки и нестабильны, посему в технике по-прежнему остаются актуальными упомянутые выше сплавы ниобия.

Сверхпроводники позволяют создавать детекторы фотонов. Некоторые из них используют андреевское отражение, другие эффект Джозефсона, факт наличия критического тока и т. д.

Построены детекторы регистрирующие единичные фотоны ИК-диапазона, выказывающие ряд преимуществ перед детекторами на иных принципах регистрации, такими как фотоэлектрические умножители и др.

Ячейки памяти могут создаваться на основе вихрей в сверхпроводниках. Похожим образом уже применяются некоторые магнитные солитоны. Двумерные и трехмерные магнитные солитоны похожи на вихри в жидкости, где роль линий тока исполняют линии выстраивания доменов.

Сквиды — миниатюрные кольцевые приборы на базе сверхпроводников, действующие на основе связи между изменением магнитного потока и электрического напряжения. Такие микро-приборы работают в магнитометрах повышенной чувствительности, способных измерять магнитное поле Земли, а также в медицинском оборудовании для получения магнитограмм сканируемых органов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Сверхпроводники

Сверхпроводники.

Сверхпроводники – это материалы, электрическое сопротивление которых при достижении температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры), становится равным абсолютному нулю. В таких случаях говорят, что материал приобретает сверхпроводимость, сверхпроводящие свойства или переходит в сверхпроводящее состояние.

Описание. Материалы сверхпроводников.

Как правило, критическая температура крайне низка, что ограничивает использование сверхпроводников. Однако в последнее время (в 2017 г.) были открыты сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при комнатной температуре.

Открытие сверхпроводников:

Первый сверхпроводник был открыт в 1911 г. голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннес у ртути. Он проводил опыты по проверке электрических свойств данного металла при понижении температуры. В то время предполагалось, что со снижением температуры постепенно понижается и электрическое сопротивление проводника, а при слишком низких температурах якобы электроны практически останавливаются и металл совсем перестает проводить ток.

Однако в ходе эксперимента был получен обратный эффект. Вначале – при понижении температуры электрическое сопротивление ртути (α-ртуть) плавно падало, а затем после преодоления температуры в 4,153 кельвина – совсем исчезло. Этот эффект был назван сверхпроводимостью.

В следующем году были обнаружены ещё два металла-сверхпроводника: свинец и олово.

Впоследствии были открыты и другие сверхпроводники.

Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники:

В зависимости от значения критической температуры все сверхпроводники делятся на низкотемпературные и высокотемпературные. За точку отсчета принята температура 77 K (-196 о С), которая приблизительна равна температуре кипения жидкого азота 77,4 K (-95,75 °C).

Классификация, типы и виды сверхпроводников:

По отклику сверхпроводников на магнитное поле они делятся сверхпроводники 1 (первого) рода и сверхпроводники 2 (второго) рода.

Сверхпроводники 1 (первого) 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.

По критической температуре сверхпроводники делятся на низкотемпературные сверхпроводники (Тк 77 К).

Свойства сверхпроводников, эффекты:

1. Нулевое электрическое сопротивление.

Сопротивление сверхпроводников равно нулю только тогда, когда через него пропускают постоянный электрический ток. Если же пропускать переменный электрический ток, то оно отлично от нуля и возрастает с повышением температуры.

2. Критическая температура сверхпроводников.

Критическая температура делит сверхпроводники на два состояния: обычное и сверхпроводящее.

3. Критическое магнитное поле сверхпроводников.

5. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником из своего объёма.

Это явление было названо эффектом Мейснера по имени первооткрывателя. Впервые явление экспериментально наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.

Эффект Мейснера означает полное вытеснение внешнего магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. В поверхностном слое сверхпроводника действуют незатухающие электрические токи, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

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

Если взять сверхпроводник (соответственно предварительно охлажденный), а потом поднести к нему мощный магнит, то такой сверхпроводник образует свое собственное магнитное поле, схожее по силе с полем магнита. В результате магнитные поля сверхпроводника и магнита выталкивают друг друга и магнит спокойно левитирует – парит над сверхпроводником. Данный эффект также называют эффектом Мейснера.

И соответственно наоборот, если поместить сверхпроводник над магнитом, то сверхпроводник благодаря действию эффекта Мейснера также будет парить – левитировать над магнитом.

Магнитное поле буквально “хватает” сверхпроводник и цепко “держит” его в любом положении, в котором бы он не находился изначально: над или под магнитом. В полях, магнитная индукция которых составляет 0,001 Тл, заметно смещение магнита или сверхпроводника вверх на расстояние порядка одного сантиметра. При увеличении магнитного поля вплоть до критического магнит или сверхпроводник поднимается всё выше.

Как только температура сверхпроводника становится выше критической, то он перестаёт парить.

7. Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств – удельной теплоемкости.

Под удельной теплоемкостью понимается физическая величина, которая численно равна количеству теплоты, необходимое для нагревания вещества массой 1 кг 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.

8. Критический ток.

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.

Сверхпроводники 1 рода и сверхпроводники 2 рода, металлы и прочие материалы, критическая температура и критическое магнитное поле:

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

*** Экстраполировано к абсолютному нулю.

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

свойства сопротивление левитация использование применение сверхпроводников на основе стекловолокна
металлы магнитные сверхпроводники используют для создания которые 1 2 первого второго рода физика стекловолокно эффект суть электрического тока магнит кратко
русский сверхпроводник материал реферат купить примеры в магнитном поле
ток в сверхпроводнике презентация по составу
кольцо из сверхпроводника

Источник

Сверхпроводник

Сверхпроводник — материал, который при определенных условиях приобретает сверхпроводящие свойства. Это достигается понижением температуры до T_c, 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.

Содержание

История

В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К резко падает до нуля.

Свойства сверхпроводников

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля теплота перехода (поглощения или выделения) из сверхпроводящего состояния в обычное равна нулю, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода.

Эффект Мейснера

Таблица сверхпроводников

Ниже представлена таблица, в которой перечислены некоторые сверхпроводники и характерные значения критической температуры и предельного магнитного поля для них.

Название материала	Критическая температура , К	Критическое поле , Тл	Год опубликования обнаружения сверхпроводимости
Сверхпроводники I рода
Pb (свинец)	7,26 [3]	0,08 [4]	1913 [3]
Sn (олово)	3,69 [3]	0,031 [4]	1913 [3]
Ta (тантал)	4,38 [3]	0,083 [4]	1928 [3]
Al (алюминий)	1,18 [3]	0,01 [4]	1933 [3]
Zn (цинк)	0,88 [4]	0,0053 [4]
W (вольфрам)	0,01 [4]	0,0001 [4]
Nb (ниобий)	9,20 [3]	0,4 [4]	1930 [3]
Сверхпроводники 1.5 рода
Ведутся поиски по теоретической модели [5]
Сверхпроводники II рода
V3Ga	14,5 [4]	>35 [4]
Nb3Sn	18,0 [4]	>25 [4]
(Nb3Al)4Ge	20,0 [4]
Nb3Ge	23 [4]
GeTe	0,17 [4]	0,013 [4]
SrTiO3	0,2—0,4 [4]	>60 [4]
MgB2	39	?	2001

См. также

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Сверхпроводник» в других словарях:

сверхпроводник — сверхпроводник … Орфографический словарь-справочник

сверхпроводник — гиперпроводник Словарь русских синонимов. сверхпроводник сущ., кол во синонимов: 1 • гиперпроводник (1) Словарь синонимов ASIS … Словарь синонимов

сверхпроводник — Вещество, основным свойством которого является способность при определенных условиях быть в состоянии сверхпроводимости. [ГОСТ Р 52002 2003] Тематики электротехника, основные понятия … Справочник технического переводчика

Сверхпроводник — 5. Сверхпроводник По ГОСТ 19880 74* Источник: ГОСТ 22265 76: Материалы проводниковые. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Сверхпроводник — [superconductor] вещество, у которого при охлаждении ниже определенной критической температуры электрического сопротивление падает до нуля, т.е. наблюдается сверхпроводимость. По магнитным свойствам сверхпроводники подразделяются на две группы:… … Энциклопедический словарь по металлургии

сверхпроводник — сверхпроводниковый материал; сверхпроводник Материал, обладающий способностью при достаточно глубоком охлаждении переходить в состояние сверхпроводимости … Политехнический терминологический толковый словарь

сверхпроводник — superlaidininkas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas( ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. superconductor vok. Überleiter, m; Superleiter, m; Supraleiter, m rus. сверхпроводник, m pranc.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

сверхпроводник — superlaidininkas statusas T sritis chemija apibrėžtis Medžiaga, kuri atšaldyta žemiau krizinės temperatūros įgyja nykstamai mažą varžą. atitikmenys: angl. superconductor rus. сверхпроводник … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Источник