План реферата
1.Свойство сверхпроводимого состояния……………………………3
2.Сверхпроводник в магнитном поле………………………………...4
3.Изотермические свойства…………………………………………...5
4.Изотопический эффект………………………………………………6
5.Квантовая основа…………………………………………………….7
6.Условия сверхпроводимости………………………………………..9
а.Сверхпроводники I и II рода……………………………………...9
б.Разрушение током………………………………………………..10
в.Новые вещества…………………………………………………..10
7.Некоторые применения сверхпроводимости……………………..10
Литература…………………………………………………………...15
В 1911 г. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости,изучение которого интенсивно продолжается до наших дней и составляет одно из важнейших направлений физики твердого тела.Оказалось, что при температуре,близкой к 4 0 К,электрическое сопротивление ртути скачком обращается в нуль.
Многие металлы и металлические сплавы при температурах,близких к абсолютному нулю, переходят в особое сверхпроводящее состояние,наиболее поразительным свойством которого является с в е р х п р о в о д и м о с т ь- полное отсутствие сопротивления постоянному электрическому току.Наведенный в сверхпроводящем кольце ток сохраняется неизменным практически бесконечно долго – в течение нескольких лет не удается обнаружить сколько-нибудь заметного затухания этого тока.Этот эксперимент провел в1959 г. американский ученый физик Коллинз.
Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического сопротивления при конечной, отличной от О 0 К, температуре (критическая температура- Т к).
Открытие Камерлинга-Оннеса повлекло исследования разных веществ –сверхпроводников и их свойств. Были отмечены резкая аномалия магнитных, тепловых и ряда других свойств, так что правильнее говорить не только о сверпроводимости, а об особом, наблюдаемом при низких температурах состоянии вещества.
Сейчас выявлена целая группа веществ –сверхпровод – ников (В 1975 их было >500).Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий (Т к =9,22 0 К), а наиболее низкой – иридий (Т к = 0,140 0 К).
Сложное соединение,синтизированное в 1967 г.,сохраняет сверхпроводимость до 20,1 0 К, в 1973 г. рекорд равнялся 22,3 0 К.
Критическая температура зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристала.Например,серое олово является полупроводником, а белое олово- металлом, способным к тому же при температуре,равной 3,72 0 К,переходить в сверхпроводящее состояние.
Бериллий–сверхпроводник в виде тонкой пленки. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками при высоком давлении (Ва с Т к=5 0 К под давлением ~ 150 кбар).
Из всего следует вывод,что сверхпроводимость представляет собой коллективный эффект,связанный со структурой всего образца.
Переход металла в сверхпроводящее состояние и обратно происходит при тех значениях температуры и напряженности магнитного поля, которые соответствуют точкам на кривой зависимости Н к от температуры (рис 1.)
Учитывая обратимость перехода и различие свойств металла в сверхпроводящем и нормальном состояниях, этот переход можно рассматривать как фазовый переход между двумя различными состояниями одного и того же вещества: n-фазой(нормальное состояние) и s-фазой (сверхпроводящее состояние).
Сверхпроводник в магнитном поле.
1. В 1933 г. Мейсснером было открыто одно из свойств сверхпроводников(эффект Мейсснера).Оказалось,что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца.Если этот образец при температурах более высоких,чем Тк, то в нем, как и во всяком нормальном металле,помещенном во внешнем поле.напряженность будет отличной от нуля. Не выключая внешнего магнитного поля, начнем постепенно понижать температуру.Тогда окажется,что в момент перехода в сверхпроводящее
состояние магнитное поле вытолкнется из образца и станет справедливым равенство В = 0 (В- магнитная индукция,равная, по определению,средней напряженности магнитного поля в веществе).При включении внешнего поля Н в веществе появляется отличная от нуля индукция В, равная В= μН. Коэффициент и называется магнитной проницаемостью вещества.При μ<1 наблюдается ослабление приложенного поля и В< Н.В сверхпроводниках В=0,что соответствует нулевой магнитной проницаемости.Это эффект идеального диамагнетизма. Если сверхпроводящий образец поместить во внешнее поле,то в поверхностном слое металла возникает стационарный
электрический ток,собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю.что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца.
Идеальный диамагнетизм сверхпроводников означает возможность протекания поверхностного стационарного тока,не испытывающего электрического сопротивления.
Наличие сопротивления привело бы к тепловым потерям и в отсутствие электрического поля-к быстрому затуханию тока.Эффект Мейснера и явление сверхпроводимости, т.е.полное отсутствие сопротивления,тесно связаны между собой и явлются следствием общей закономерности, которую и установила теория сверхпроводимости.
2. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. При действии на сверхпроводник магнитного поля температура Тс снижается.Магнитное поле с напряженностью Нс,которое при данной температуре вызывает переход в-ва из сверхпроводящего состояния в нормальное,называется критическим полем.
Т.о.,металл можно перевести из сверхпроводящего состояния,воздействуя на сверхпроводник магнитным полем.Тем не менее,был обнаружен класс веществ,
сохраняющих свойство сверхпроводимости в мощных магнитных полях
и при сильных токах.
Изотермические свойства.
Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств.
Электронная теплоемкость нормальных металлов с понижением температуры убывает по линейному закону с e ~Т. В сверхпроводниках – по экспоненциальному закону.
где а и b – постоянные,не зависящие от температуры величины.
Скачек теплоемкости
Изотермический переход из сверхпроводящего состояния в нормальное связан со скачкообразным изменением теплопроводности и теплоемкости.
Это универсальное свойство сверхпроводников.Различают теплопроводность,
связанную с движением электронов, и тепловой поток в решетке кристалла.
Коэффициент теплопроводности х можно представить в виде суммы
х=х эл +х реш.Электроны рассеиваются различными причинами(колебания решетки,примеси,другие электроны).Результирующая электронная теплопроводность Х эл вычисляется по правилу
Изотопический эффект.
В 1950 г. Максвелл,Рейндолс при исследовании ртути открыли,что сверхпроводимость возникает при взаимодействии электронов с решеткой кристалла.Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно-без “трения” об узлы кристаллической решетки.
В сверхпроводниках возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар.
Электрон проводимости е притягивает к себе ион I кристаллической решетки,смещая его из положения равновесия.При этом изменяется электрическое поле в кристалле- ион I создает электрическое поле,
действующее на электроны проводимости,в том числе и на электрон e 1
Взаимодействие е 1 и е 2 осуществляется с помощью кристаллической решетки.
Смещение иона под действием электрона приводит к тому,что электрон оказывается окруженным “облаком” положительного заряда, превышающего собственный отрицательный заряд электрона.Электрон вместе с этим “облаком”имеет суммарный положительный заряд и притягивается к другому электрону.
Интересно,что именно взаимодействие электронов с решеткой кристалла ответственно за появление сопротивления. При определенных условиях оно приводит к его отсутствию,т.е эффекту сверхпроводимости.Так было
расскрыто объяснение сверхпроводимости.
В 1957 г. Бардином,Купером,Шриффером была построена теория сверхпроводящего состояния.
Квантовая основа.
1.В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами)связывается с возникновением элементарных возбуждений решетки.
Электрон,движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решетки,переводит ее в возбужденное состояние.При переходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты- фонон,который поглащается другим электроном.Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами,причем притяжение наиболее эффективно,если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.
2.Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов.Проявление сил притяжения можно представить.В результате деформации решетки электрон оказываеся окруженным “облаком “положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему,
которая будет притягиваться к другому электрону.
При высоких температурах достаточно сильное интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга,размывает ионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения.При низких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.
Возникновение межэлектронного притяжения не противоречит законам физики.Два электрона, несомненно, отталкиваются друг от друга,если находятся в пустоте.
В среде же сила их взаимодействия равна
(ε-δиэлектрическая проницаемость среды).Если среда такова,что ε <0, то одноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.
Кристаллическая решетка и является той средой, которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость в сверхпроводнике.
3.Расстояние между электронами пары равно:
где h-постоянная Планка,u F -скорость электрона на уровне Ферми,
k – постоянная Больцмана, Т c –температура перехода в сверхпроводящее состояние.Оценка показывает,что δ=10 см,т.е.электроны,образующие пару,
находятся на расстоянии порядка 10 4 периодов кристаллической
решетки.Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив,простирающийся на громадные, по атомным масштабам,
расстояния.
Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением,образующим пары,то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным.Если же при температуре Т происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания,то вещество переходит в cверхпроводящее состояние
4.Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями,меньшими,чем энергия связи пары электронов.
Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решетки не изменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением.
Квантомеханическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях.А это и означает отсутствие электрического сопротивления.
Условия сверхпроводимости.
1.Сверхпроводники I и II рода.
Когда магнитный поток проходит через проводник без потерь и когда энергия связана с поверхностями раздела между участками n-фазы и s-фазы (граница между двумя фазами всегда обладает поверхностной энергией.)
На рис. 5 а-сверхпроводник с идеальным диамагнетизмом;б-сверхпроводник в смешанном состоянии.Заштрихованные области соответствуют сверхпроводящему состоянию (s-фазе), незаштрихованные- нормальному (n-фазе).При толщине слоев s- фазы,меньшей глубины проникновения, магнитный поток пронизывает и сверхпроводящие слои(Н- напряженность внешнего магнитного поля).
Искажения плотности сверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях,меньших длины когерентности ξ~ΔS.
В поверхностную энергию дают вклад эффекты,зависящие как от глубины проникновения λ,ςак и от длины когерентности ξ.Как было показано,вклад в поверхностную энергию отрицателен(т.к. при этом объем чистой s-фазы
уменьшается на величину порядка λS, где S-площадь поверхности s-фазы) и, следовательно, добавка к внутренней энергии сверхпроводника уменьшается на величину порядка λSH 2 /8π.Εсли выполняется условия ξ>λ(αолееточный расчет дает условие ξ>λ 1/2),тообразование слоистой структуры энеогетически невыгодно и сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.
Такие сверхпроводники называются сверхпроводимостью I рода.К ним принадлежат почти все чистые сверхпроводники.Если же выполняется условие ξ<λ 1/2 ,то энергетически выгодно образование слоистой структуры и сверхпроводники находятся в смешанном состоянии.Такие сверхпроводники называются свехпроводимостью II рода.К ним относятся многие сверхпроводящие сплавы и сверхпроводники, загрязненные примесями.
2.Сверхпроводимость может разрушаться током..
Если сверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле, то критический ток в нем окажется равным 0,т.е. протекание сквозь угодно малого тока будет сопровождаться тепловыми потерями.Возникает система вихревых нитей и при пропуске тока происходит их взаимодействие.Опытным путем доказано,что жесткие сверхпроводники выдерживают сильные магнитные поля,а благодаря неоднородностям структуры через них можно пропускать большие токи.
3.Созданы новые сверхпроводящие вещества, дающие возможность получать поля около 200 кгс. Перспектива открытий в этой области неограничена.
Применение сверхпроводимости.
Продолжается поиск материалов,позволяющих получать все более мощные магнитные поля. Соленоиды создают не просто сильные магнитные поля.Возможно получение однородных полей в достаточно большой области пространства,что весьма важно при проведении научных исследований,
посвященных изучению свойств вещества в магнитном поле.
Наиболее заманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получения сверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные поля необходимы,например, при управлении плазменными пучками в установках для исследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителях заряженных частиц высоких энергий.
В этом случае энергию надо затрачивать только на охлаждение обмоток до температур ниже критической.
Каждый элемент провода с током в такой обмотке находится в очень сильном магнитном поле соседних витков,поэтому целесообразно применять сверхпроводники II рода,выдерживающие большие магнитные поля. Для этих целей выявлены сверхпроводимость III рода(ниобий-цирконий или ниобий-олово).
Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличие от обычного электромагнита сверхпров. не нуждается во внешнем источнике питания,поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления.
Другим примером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий элемент в электрических цепях.На проводник,по которому течет электрический ток, наматывается несколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высоким значением критического поля Н к.1Меняяток в витках,можно создать критическое поле в управляемом сверхпроводнике, что приведет к его “запиранию” вследствие потери им С.
Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпров. при создании вычислительных машин.Сверхпроводящий ток является незатухающим.Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего устройства,хранящего большие и легко считываемые запасы информации.
Скорость “ вспоминания” сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга.Они в состоянии всего лишь за 10 -6 сек выбрать нужную информацию из 10 11 ее единиц.
В вычислительной технике используется двоичная система.Двойственность сверхпроводников(они могут находиться или в нормальном,или в сверхпроводящем состоянии),быстрота их перехода под действием темпера-
туры или магнитного поля из одного состояния в другое позволяют использовать их в качестве элементов вычислительных машин. И в качестве переключающих устройств,работающих с очень высокой скоростью при малых затратах мощности, сверхпроводники идеальны.
Одно из таких устройств –так называемый проволочный криотрон.
Слово ”криотрон” греческого происхождения (cryo- холод).Изобретен этот прибор американским ученым Баком.Прибор состоит из проволоки,
сделанной,например,из свинца или тантала, по которой протекает сверхпроводящий ток.Эта проволока называется клапаном.На нее намотана более тонкая –из ниобия.Катушка,образованная этим тонким проводом,
называется управляющей.При протекании по ней достаточно большого тока сверхпроводимость в клапане разрушается.
Ниобий был выбран в качестве материала,из которого изготовляется управляющий провод,по той простой причине,что сверхпров. сохраняетсся в нем при достаточно сильных магнитных полях.Критические поля свинца или тантала,образующих клапан,являются весьма малыми,и сверхпров.в них поэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушке достаточно слабого тока.
Сопротивление в клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечного значенитя.Уменьшением тока в управляемом проводе снова восстанавливается сверхпроводящие состояния свинца или тантала.
Скорость переключения в клиотронах достигает двух наносекунд
(2*10 -9 сек).Высокая скорость в сочетании с простотой устройства и лежит в основе использования сверхпроводящих криотронов в вычислительной технике.ЭВМ,использующая сверхпроводящие устройства,выделяется
своей необычной компактностью.
Вполне возможным является создание миниатюрного сверхпроводящего триода.Его можно представить себе состоящим всего из трех наклеенных друг на друга металлических пленок, причем роль сетки обычной радиолампы играет средняя полоска, в которой регулируется ток и создаваемое им магнитное поле.
Сверхпроводник,в толщу которого не проникает магнитное поле, всегда окружен магнитной “ подушкой”.
Эффект механического отталкивания используется для создания опор без трения.Сверхпроводящая сфера благодаря диамагнитному эффекту висит над кольцом,в котором циркулирует незатухающий ток.Сила тяжести
при этом уравновешивается магнитной “ подушкой”,создаваемой сверхпров. током.Оказывается,что могут “парить” довольно тяжелые предметы.Так,в одном из опытов был подвешен свинцовый цилиндр весом 5 кг.
Устройство, в котором используется описанное явление,называется сверхпроводящим подвесом.Такие подвесы могут использоваться в гироскопах,моторах и в ряде других устройств.Принцип механического отталкивания положен в основу создагния электрических машин,к.п.д. которых благодаря замечательным свойствам сверхпроводников равена 100%. В этих машинах ротор выполнен в виде шестиугольного сверхпроводящего
стаканчика.Два магнитика,вращающиеся по окружности статора,отталкивают от себя магнитной “подушкой” сверхпроводящий ротор.Последний при этом приходит во вращение, скорость которого доходит до 20 000 об/мин
и в принципе может быть увеличена до большого значения.
Самая заманчивая перспектива использования эффекта механического отталкивания связана с работами по созданию “сверхпроводящей “ железной дороги.Японцы первыми создали модель железной дороги на магнитной подушке с вагонами,в которых находятся сверхпроводящие магниты.Вагон весом 2 т и размером 4х1,5 х 0,8 м двигался над путепроводом со скоростью
на “магнитной подушке “ сможет двигаться со скоростью 500 км/ час!Эти разработки ведутся во всех странах Европы.
У нас разработан проект такой дороги между Петербургом и Москвой.
Это явление в лабораторных условиях рассмотрел в замечательном эксперименте В.К.Аркадьев,назвавший его “ гроб Магомета”.Над металличе-
ским кольцом, в котором циркулирует такой ток, поместить в сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий ток.Его возникновение вследствие диамагнитного эффекта приведет к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой.В результате сфера оказывается висящей над кольцом на высоте,определяемой равенством силы
отталкивания и веса сферы.Подобный эффект механического отталкивания
наблюдается и в том случае, когда над сверхпроводящим кольцом помещается постоянный магнит,без видимой поддержки висящий над кольцом,в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие сверхпроводящие токи.
Сверхпроводящие трансформаторы.Отсутствие в них тепловых потерь;сверхпроводящие трансформаторы при большой мощности (до 1 000 000 квт) оказываются значительно более компактыми по сравнению с обычными.
В них можно не использовать сталь в качестве магнитного материала. Создаваемые сверхпроводниками магнитные поля намного превосходят значения напряженности,реализуемые в стальных материалах.
В последнее время в радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы.Добротность резонатора обратно пропорциональна
электрическому сопротивлению его стенок.Ясно,что применение сверхпроводников, не обладающих электрическим сопротивлением, является с этой точки зрения весьма перспективным. Так, обычный прямоугольный свинцовый резонатор при Т = 300 0 К и частоте 10 10 гц имеет добротность Q= 2*10 3 . Тот же резонатор, находящийся в сверхпроводящем состоянии (Т=4,2 0 К),характеризуется добротностью,достигающей Q= 4*10 8 .
Компактность мсожет использоваться в космическом корабле для
создания магнитной противорадиационной защиты.Космонавт должен взять в космос “ низкие температуры” и сверхпроводящий соленоид.
Квантование магнитного потока в сверхпроводниках используется для создания магнитомеров для измерения слабых магнитных полей.Приборы такого вида называются квидами.Они фиксируют изменения потока
Например, если площадь сечения сквида равна 0,1 см 2,то можно измерять поля ~10 -10 э!
Катушка с полем
переменного тока
Тонкая пленка
(~10 -6 cм толщиной)
Изображенный сквид представляет собой два тонких сверхпроводящих полуцилиндра, полученных напылением на катушку.Эти полуцилиндры соединены тонким мостиком, образующим слабую связь.Квантование этого магнитного потока приводит к ступенчатому характеру зависимости потока от внешнего магнитного поля.Это изменение потока генерирует сигнал в резонансном колебательном контуре.С помощью этих сигналов и регистрируются слабые изменения магнитного поля.
Сквиды используются для снятия магнитокардиограмм, т.е. для исследования сигналов от магнитного поля, создаваемого при работе сердца пациента.Сквид
располагается в криостате,на расстоянии нескольких сантиметров от сердца
пациента.Регистрируются резкие сигналы,идущие от сердца.Ясно,что этот метод важен для медицинских исследований.
Квантование магнитного потока может быть использовано для создания пространства,в котором вообще отсутствует магнитное поле.Если охладить цилиндр,внутри которого имеется слабое магнитное поле, до температуры ниже критической, то внутри цилиндра “заморозится” некоторый магнитный поток.Если после этого мы начнем постепенно увеличивать радиус цилиндра,то число квантов потока не изменится, но увеличение площади сечения повлечет за собой соответствующее уменьшение напряженности поля.Если использовать несколько вложенныхдруг в друга цилиндров.то описанным путем можно в конце концов добиться того, что во внутреннем цилиндре не будет содержаться ни одного кванта потока.
Таким образом, возникает область,не содержащая магнитного поля, т.е. создается идеальный магнитный экран.
Интересным прибором является также сверхпроводящий болометр.Он предназначается для измерения радиации в инфракрасной области спектра.
Основной частью такого болометра является тонкая проволока из сверхпроводника,находящаяся при температуре,близкой к критической. Под
действием падающей радиации, которая поглащается металлом,температура повышается и становится больше Тк.При этом сверхпроводимость разрушается,и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление.
Это приводит к легко регистрируемому падению напряжения.Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором.Порог чувствительности его составляет
10 -10 –10- 12 вт.
Техническая сверхпроводимость находится в развитии и составляет часть технической физики.
Использованная литература
1.Иваноа Б.Н.Законы физики.М.: Высшая школа.1986.
2.Кресин В.З.Сверхпроводимость и сверхтекучесть.М.:Наука,1978.
3.Парселл Э.Электричество и магнетизм.М.:Наука,1985.
(Берклиевский курс физики).
4.Суорц Кл.Э.Необыкновенная физика обыкновенных явлений.
В сборнике “Успехи физических наук”.М.:Наука,1986.
5.Тилли Д.,Тилли Дж.Сверхтекучесть и сверхпроводимость,пер.с англ.
М.: Наука,1977.
6.Физика микромира,Малая энциклопедия.М.:Советская энциклопедия,
1980, с.335-352.
7.Шубин А.С.Курс общей физики.М.:Высшая школа,1976.
8.Яворский Б.М.,ДетлафА.А..Справочник по физике.М.:Наука,1985,с.417.
Мы живем в мире, где все взаимосвязано, и от того, как мы поступим сегодня, зависит наше будущее. В данном тексте В.М. Песков предлагает нам задуматься над проблемой взаимосвязи человека и природы.
Обращаясь к теме, писатель приводит в пример слова ученого, долгое время изучающего космос: «Надо беречь свой дом – родную Землю». Автор, анализируя пагубное влияние человека на окружающую среду, делает акцент на том, что именно мы являемся частью «сложного узора жизни на нашей планете», мы стоим во главе мира животных и мира природы, мы зависим от них также, как и они зависят от нас, и поэтому глупо и опрометчиво истреблять редкие виды животных, загрязнять и уничтожать окружающую среду, надеясь «переехать» на другую планету.
Автор считает, что человек должен заботиться о нашей планете и обо всем, что её населяет, потому что другого шанса увидеть редкие природные явления или, к примеру, «белоголового орлана» не будет – у нас есть лишь одна планета, которая «нас кормит, дает нам дышать, снабжает водой, теплом и радостью жизни». Если мы не дадим существовать всему живому на земле – оно исчезнет, и вместе с ним исчезнем и мы.
Я полностью согласна с мнением писателя и тоже считаю, что окружающий мир нуждается в нашей заботе, как и мы нуждаемся в тепле, воздухе, еде и красоте – в общем во всем, что дарует нам наша планета. Нужно беречь Землю, ведь другой такой у нас не будет.
В.П. Астафьев в своем произведении "Царь - рыба" показывает нас, что природа живая и одухотворенная, она способна как наградить человека за его заботу, так и наказать его за наглость и причиненную боль. Главный герой произведения возомнил себя «царем природы» и посчитал, что может распоряжаться ею как пожелает. Однажды поймав «царь-рыбу», он, вопреки наказам деда, поддавшись жадности, решил справиться с ней самостоятельно, за что был наказан падением в реку. И, как бы Игнатьич не пытался обвинять все вокруг в своей, как ему тогда казалось, неминируемой смерти, он все же раскаялся во всех своих грехах, за что и получил возможность жить дальше.
В повести А.И. Куприна "Олеся" автор изобразил пример правильного отношения к природе. Главная героиня всю свою жизнь прожила в единении с окружающим миром – она ощущала тонкую связь между собой и лесом и воспринимала его как что-то живое, наделенное душой. К миру природы девушка гораздо ближе, чем к урбанизированному миру людей, и поэтому всегда вставала на защиту всех обитателей леса.
Таким образом, можно сделать вывод, что людям необходимо ценить Землю, заботиться о ней и не забывать, что помимо нас существует еще множество живых существ, которые нуждается в нас также, как и мы нуждаемся в них. Только осознав это, мы сможем сохранить нашу планету.
Идея высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в органических соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь 14 лет спустя появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла, вызвавший критические отзывы, отрицающие возможность ВТСП в неметаллических системах. Таким образом, хотя идея ВТСП родилась ы работе Ф. Лондона в 1950г., годом рождения проблемы следует считать время появления первых, пока, правда, малочисленных потоков информации по ВТСП - 1964г.. Если рассмотреть эволюцию температуры сверхпроводящего перехода, то станет ясно, что рост температуры сверхпроводящего перехода приводил к возможности использования хладагентов со все более высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот). Хотя до азотных температур перехода, открытых недавно в металлокерамиках, практически использовался для охлаждения жидкий гелий, однако скачки в росте температуры перехода дают право положить их в основу периодизации ВТСП о гелиевом, водородном, неоновом и, наконец, азотном периодах ВТСП. Так Nb 3 Sn сменился Nb - Al - Ge, затем наибольшая температура была обнаружена d 1973-81гг. у Nb 3 Ge (23,9 K), которая оставалась рекордной вплоть до сверхпроводимости металлокерамиками. La - Sr - Cu - O при 30 К в 86г., вырастая до 100 К на материале I - Ba - Cu - O.
Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры от характеристики вещества. С открытием в 86 нового класса сверхпроводящих материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами, во всем мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с целью определения возможности их применения в различных областях науки и техники. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволит существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Для успешного применения ВТСП в сильноточных устройствах (соляноидах, накопителях энергии, электромагнитах, транспорте с магнитным подвесом) необходимо решить ряд вопросов. Одной из важнейших проблем при создании сильноточных устройств с использованием ВТСП является проблема обеспечения устойчивой работы обмоток с током. Проблема стабилизации ВТСП включает в себя несколько аспектов. Внутренним свойством сверхпроводимости является скачкообразный характер проникновения в них магнитного поля. Этот процесс сопровождается выделением части запасенной энергии магнитного поля при его распределении. Поэтому, наиболее важное направление стабилизации сверхпроводников - их стабилизация против сигналов потока. Крое того, проводники, внутренне стабилизированные против сигналов потока, при работе подвергаются действию различного рода возмущений как механического, так и электромагнитного характера, тоже сопровождающиеся выделением энергии.
Основные характеристики композитных ВТСП-проводников.
Традиционные сверхпроводники второго рода (сплавы Nb - Ti, соединение Nb 3 Sn) применяются в сверхпроводящих магнитных системах в виде композитов с матрицей из нормального метала с высокими тепло- и электропроводностью. Наличие пластичной матрицы (чаще всего медной) значительно облегчает изготовление тонких длинномерных проводников волочением или прокаткой, то есть сверхпроводящие материалы отличаются хрупкостью. Стабильность сверхпроводимости - состояние относительно скачков магнитного потока - достигается путем изготовления проводников с весьма малым диаметром отдельных сверхпроводящих или же лент с малой толщиной сверхпроводящего слоя. По этим же причинам ВТСП-проводники в большинстве случаев изготавливаются в форме композитов, имеющих малую толщину или диаметр. Дополнительная причина применения нормального металла связана с необходимостью защиты ВТСП-материала от влажности и других факторов окружающей Среды, вызывающих деградацию оксидного сверхпроводника. Наилучшие результаты получены при использовании серебряной матрицы или обмотки сверхпроводника: кроме того, что серебро лишь в минимальной степени реагирует с ВТСП или его исходной продукции даже при высокой температуре синтеза, серебро отличается высокой диффузионной проницательностью для кислорода, что необходимо при синтезе и обжиге ВТСП.
В настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов. (см. рис.1).
Основными достоинствами ВТСП являются отсутствие потерь на постоянном и сравнительно небольшие потери на переменном токах, возможность экранирования магнитных и электромагнитных полей, возможность передачи сигналов с крайне малыми искажениями.
Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП материалов является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное сопротивление увеличивается пропорционально квадратному корню из частоты в то время, как в ВТСП - пропорционально ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления (на постоянном токе) у ВТСП на несколько порядков ниже, чем у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц.
Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50-х гг, когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение.
Применение сверхпроводников потребовало решения ряда новых задач, в частности, интенсивного развития материаловедения в области низких температур. При это исследовались не только сверхпроводники собственно, но и конструкции и изоляционные материалы.
стандартный источник питания
сигнал детекти- аналоговая цифровая инфор-
шум рование обработка обработка мация
постоянный ток джозефсоновские логика
радиочастоты приборы
сквиды аналого-цифровой
преобразователь
СВЧ- субмм. волны
дискретизатор
СИС-смесители
СИС квадратурный
детектор СП - полевой
транзистор
джозефсоновский
смеситель прибор на неравно-
весных носителях
джозеновский
параметрический приборы линий
усилитель передачи
сверхпроводящий конвольвер (для
болометр вычисления свертки)
преобразователь
оттоэлектронные
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 также связано с созданием ожижителей и рефрижераторов все большей хладопроизводительности на уровне температур жидкого гелия.
Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. В 80-х гг 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 имеет место все более широкое использование явления сверхпроводимости для турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др.. Следует также отметить важное направление в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.
На настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости. Это прежде всего магнитные системы различного назначения и затем - электрические машины (прежде всего турбогенераторы).
Применение сверхпроводимости в турбогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь удается достигнуть того, чего при других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить массу и габариты машины при сохранении мощности. В обычных машинах это уменьшение всегда связано с увеличением потерь и трудностями обеспечения высокого КПД. Здесь этот вопрос решается радикально: массу турбогенераторов можно увеличить в 2-2,5 раза, в тоже время в связи с отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и приблизиться для крупных турбогенераторов к КПД порядка 99,3%. Повышение КПД турбогенераторов на 0.1% компенсирует затраты, связанные с созданием генераторов на 30%. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет снижения потерь, очень быстро оправдывает те затраты, которые вкладываются в создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в энергетику с большими машинами, нужно пройти очень сложный путь создания машин все больших мощностей. При этом нужно решать и более трудную проблему - обеспечение высокой надежности. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300К, они имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов.
табл.1 “Сферы применения сверхпроводимости”
|
Применение |
Примечания |
|
крупномасштабное а) экранирование |
Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве. |
|
сильноточные устройства
|
НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза. Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП. |
|
другие статические применения
|
Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность. Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструкциировании аппаратуры. |
Сегодня большое внимание уделяется исследованию и разработке конструкций, использующих сверхпроводниковые материалы, которые дают возможность по-новому подойти к вопросам создания электротехнических устройств.
Увеличение плотности тока, повышение удельной мощности, а также наличие особых, присущих только сверхпроводникам, физических свойств создают предпосылки для разработки высокоэффективных видов электроэнергетического оборудования.
Одной из основных технологий, позволяющих удовлетворить возрастающие потребности электроэнергетики, является использование явления сверхпроводимости, то есть состояния некоторых материалов, обладающих нулевым сопротивлением при их охлаждении ниже критических температур Тк. Различаются как низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с максимальной Тк около 20 К (-257 °С), эксплуатируемые при температурах жидкого гелия (-268,95 °C), так и высокотемпературные (ВТСП) с Тк до 138 К (-135 °С), эксплуатируемые вблизи температуры жидкого азота 77,4 К (-195,75 °C).
Положение со сверхпроводниковой технологией радикальным образом изменилось после открытия в конце 80-х годов ВТСП-материалов с более высокими возможными рабочими температурами, вплоть до температуры кипения жидкого азота. Это позволило, наряду с упрощением криогенной техники, создать предпосылки для преодоления коммерческого барьера по отношению к традиционным технологиям при использовании технологий на основе ВТСП-материалов в электроэнергетике и других областях промышленности.
Применение СП-оборудования и технологий в электроэнергетике обеспечивает многие преимущества:
- сокращение потерь электроэнергии примерно в два раза;
- снижение массогабаритных показателей оборудования в два-четыре раза;
- повышение надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования за счет снижения старения изоляции;
- повышение надежности и устойчивости работы энергосистем;
- повышение качества электроэнергии, поставляемой потребителям;
- повышение уровня пожарной и экологической безопасности электроэнергетики;
- создание принципиально новых систем энергетики.
Особый эффект в электроэнергетике СП-технологии могут дать при их применении в системах электроснабжения мегаполисов и крупных городов.
Рассмотрим лидирующие на сегодняшний день направления по применению СП-электрооборудования и технологий в электроэнергетических системах.
Не имеющие аналогов
Основным преимуществом кабелей из ВТСП-материалов перед обычными маслонаполненными кабелями или кабелями со сшитым полиэтиленом является их высокая пропускная способность при малом сечении, низкие потери энергии, а также пожарная и экологическая безопасность.
Прежде всего, создание сверхпроводникового кабеля на большие токи позволит эффективно решить проблему глубоких вводов мощности в крупные города, а также выдачу мощности от крупных электростанций, расположенных в трудных географических условиях. А в таких мегаполисах, как Москва, с целью снижения потерь распределение электроэнергии внутри города происходит на напряжении 110 кВ с последующим понижением до 10 кВ и 0,4 кВ. Минимальные потери в ВТСП- кабелях при их повышенной токонесущей способности могут позволить исключить промежуточную ступень трансформации на напряжение 110 кВ и перевести распределение электроэнергии в городе сразу на напряжение 10-20 кВ при значительном снижении стоимости подстанций.
В настоящее время в мире эксплуатируется около 10 коротких ВТСП - кабельных линий и ведутся работы более чем по 10 крупным проектам в этой области. Крупнейший проект в США: 650 м, 138 кВ, 2,4 кА, 574 МВА. Сейчас идет установка и подготовка к эксплуатации. Американцами разработан проект создания не отдельной кабельной линии, а целой сети в одном из центральных районов Нью-Йорка.
ВТСП - ограничитель токов короткого замыкания (ВТСП ТО) представляет собой токоограничивающее устройство, включаемое в защищаемую часть сети. Основное преимущество ВТСП ТО заключается в его возможности иметь существенное низкое сопротивление по сравнению с эксплуатируемыми токоограничительными реакторами в нормальном режиме и практически безынерционно увеличивать его до требуемой величины при коротком замыкании. Это позволяет использовать ВТСП ТО в сетях с целью снижения ударных значений токов короткого замыкания (КЗ), координации токов КЗ с отключающей способностью коммутационной аппаратуры. Уникальные свойства сверхпроводящих материалов позволяют создать ограничители токов КЗ, не имеющие аналогов среди традиционных электротехнических устройств . Токоограничители позволяют также продлить срок службы коммутационной аппаратуры.
В настоящее время реализовано несколько опытно-промышленных проектов ВТСП ТО на напряжения до 20 кВ и на мощности порядка 10-15 МВА. Начаты разработки ВТСП ТО на напряжение 110-138 кВ (США, Евросоюз).
Ожидается, что при создании коммерчески выгодных ВТСП ТО (2010-2012 гг.) рынок их применения будет достаточно емким.
ВТСП-трансформаторы могут быть совместимы с существующим оборудованием электрических сетей и их защитными устройствами. Нагрузочные потери в ВТСП-трансформаторах при нормальном токе могут быть уменьшены на 80-90% по сравнению с традиционными. Замена масла жидким азотом и уменьшенные размеры позволят повысить экологическую и пожарную безопасность и устанавливать такие трансформаторы в помещениях. Уменьшение массы облегчает условия транспортирования, особенно для больших трансформаторов, включая охлаждающее устройство, а также снизит материалоемкость.
ВТСП-трансформаторы обладают также рядом других привлекательных свойств, например пониженным значением реактанса трансформатора (25% от традиционных). Это положительно влияет на условия устойчивости электроэнергетических систем и увеличивает возможности по регулированию реактивной мощности. ВТСП-трансформаторы обладают также токоограничивающей способностью. Созданы опытные образцы ВТСП-трансформаторов напряжением 20 кВ мощностью до 10 МВА. Ожидаемое коммерческое использование ВТСП трансформаторов - 2010-2012 гг.
Революция не за горами
Крупным достижением в области нанотехнологий стало создание ВТСП-проводников второго поколения (сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии -СПИНЭ). Это, каки совершенствование криогенной техники, позволяет надеяться на существенное снижение затрат на создание систем хранения электроэнергии, что может внести революционные изменения в конструкции и условия эксплуатации энергосистем . СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности. Ожидается, что к 2016-2020 гг. будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости. Перспективны СПИНЭ и как источники питания мощных импульсных устройств.
ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы обладают, по сравнению с традиционными, повышенным значением КПД, пониженными в 2-3 раза массогабаритными показателями, возможностью создания высоковольтных машин (без трансформаторов на напряжение 110-220 кВ и выше), возможностью создания машин большой мощности (свыше 1000 МВт).
Сверхпроводящие генераторы и компенсаторы имеют уменьшенные массогабаритные характеристики, высокую синусоидальность выходного напряжения, уменьшенные величины реактивностей и расширенные пределы регулирования реактивной мощности в области потребления, возможность создания машин с повышенным уровнем переменного напряжения.
В настоящее время созданы опытные образцы ВТСП-генераторов мощностью 50 МВА (США), ВТСП - синхронный компенсатор мощностью 8 МВА (США). Ожидается, что с 2015 года ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы станут коммерческим продуктом . В подобном положении по проработанности технологии и началу коммерческого завоевания рынка находятся ВТСП-электродвигатели различного назначения. Еще в 2007 году по инициативе РАО «ЕЭС России» на основе предложений ОАО НТЦ «Электроэнергетики» и РНЦ «Курчатовский институт» была разработана и утверждена Комплексная программа по созданию ВТСП оборудования и технологий его применения в электроэнергетике со сроком ее исполнения до 2015 года. Цель программы - реализовать на базе ВТСП принципиально новую технологическую основу для российской электроэнергетики, существенно повышающую надежность и экономичность ее функционирования.
Реализация этой программы позволит проверить в условиях эксплуатации все основные виды ВТСП - электротехнического оборудования: кабельные линии электропередачи переменного и постоянного тока, устройства для ограничения токов короткого замыкания, трансформаторы, накопители энергии, генераторы, электродвигатели, синхронные компенсаторы. Для реализации Программы был создан Координационный совет, в который вошли представители РАО «ЕЭС России», Минпромэнерго РФ, Минобрнауки РФ, ОАО «Корпорация Атомэнерго», РАН, ведущие специалисты РНЦ «Курчатовский институт» и других научно-исследовательских институтов России.
Важнейшим направлением технологического развития систем энергоснабжения мегаполисов является создание высокоамперных линий. Объективно существуют две основные возможности повышения мощности передающих линий - повышение напряжения и повышение номинального рабочего тока.
Традиционный базовый уровень номинального напряжения распределительных сетей в России - 10 кВ представляется недостаточным и требует постепенного перехода на напряжение 20-35 кВ, что уже неоднократно отмечалось в литературе и во многих случаях реализовано на практике.
Повышение номинального рабочего тока за счет оптимизации выбираемых материалов, контактных соединений, самой конструкции высоковольтных устройств для электрических сетей в принципе давно уже реализовано в таком «гигаполисе», как Япония. В этой стране номинальные рабочие токи, как правило, составляют 6-8 кА. Такая техническая политика, несомненно, представляет интерес и для других стран, где число мегаполисов растет.
Поскольку плотность электропотребления в мегаполисах в последние годы резко возрастает, и Москва здесь уже в первом ряду, наиболее эффективным и кардинальным решением по увеличению рабочих токов передающих линий является применение сверхпроводящих кабелей, где рабочий ток при тех же радиальных габаритах токоведущей жилы может быть увеличен почти на порядок.
Появление же в 2002-2003 гг. высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения резко активизировало работы по практическому применению этих технологий. Реальным препятствием для широкого практического применения сверхпроводящих кабелей, ограничителей тока, трансформаторов сегодня является лишь технологическая отработка производства лент сверхпроводников, их соединений, обеспечение стабильности их свойств, а также пока высокая стоимость сверхпроводниковых материалов.
Проведенный анализ эффективности ВТСП-кабелей показывает, что с учетом затрат на прокладку, эти кабели будут дешевле традиционных, медных уже к 2010 году при мощности более 70-100 МВт.
В 2004-2007 гг. были реализованы и продолжают выполняться несколько коммерческих проектов сверхпроводящих кабелей: SUMITOMO ELECTRIC завершила длительные испытания трехжильного сверхпроводящего кабеля на напряжение 66 кВ, номинальный ток 1 кА длиной 100 м, а также заключила контракт с Южной Кореей (KEPRI) на разработку, изготовление и поставку сверхпроводящего кабеля 22,9 кВ, 1,25 кА длиной 100 м. В США реализуется проект DOE/NYSERDA по установке в промышленную эксплуатацию кабеля 34,5 кВ, ток 800 А длиной 350 м в районе Гудзона и т. д. Эксперты оценивают начало массового применения сверхпроводящих кабелей в 2010-2015 гг.
В России (ОАО «НТЦ электроэнергетики», ОАО «ВНИИКП») разработан и подготовлен к испытаниям образец ВТСП-кабеля на напряжение 20 кВ, 1 500 А. В 2009 году планируется установка ВТСП-кабеля 20 кВ, 2 000 А длиной 200 метров на одном из объектов в г. Москве.
Другими многообещающими направлениями применения ВТСП- технологий являются сверхпроводящие ограничители тока и трансформаторы. В сверхпроводящих ограничителях тока может быть реализовано свойство сверхпроводников переходить из сверхпроводящего состояния в обычное. Таким образом, при возникновении тока короткого замыкания резкое возрастание сопротивления сверхпроводника приведет к ограничению величины тока КЗ. ВТСП-трансформатор имеет потенциально больше преимуществ перед стандартным: малые габариты, высокий КПД, пожаро- и взрывобезопастность, благодаря наличию жидкого азота вместо масла. Кроме того ВТСП-трансформатор - экологически чистое изделие.
Несомненный интерес представляет использование ВТСП-технологий и в генераторах, поскольку значительно снижаются размеры этого оборудования, как и потери в них. Здесь, однако, предстоит решить ряд проблем, связанных с их регулированием при работе в современных энергосистемах.
Создание высокоамперных линий электропередачи связано с освоением производства кабелей, ограничителей тока, трансформаторов, использующих явление высокотемпературной сверхпроводимости. В настоящее время в мире реализован ряд пилотных проектов ВТСП-кабелей, причем начало массового применения ВТСП-кабелей ожидается в 2010-2020 гг.
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 так называемые 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. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитого поля H c2 .
Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями.
Следующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10 -15 Вт. Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях таких, как: измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.
Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.
Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии, в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.
Контрольные вопросы:
1. Какие явления наблюдаются при сверхпроводимости?
а. Скачок удельной теплоемкости.
б. Небольшое изменение объема.
в. Резкое уменьшение поглощения ультразвука.
г. Все вышеперечисленные.
2. Каким физическими свойствами обладает вещество, находящееся в сверхпроводящем состоянии?
а. Выталкивание электрического поля.
б. Высокой напряженностью электрического поля данного вещества.
в. Высокой магнитной проницаемостью.
г. Выталкиванием магнитного поля, идеальной проводимостью.
3. При каких условиях разрушается сверхпроводящее состояние?
а. При пропускании через сверхпроводник тока такой величины, при которой на поверхности образца магнитное поле, вызванное этим током, становится равным критическому.
б. При воздействии магнитного поля достаточной величины, т.е. критической.
в. Все вышеперечисленные.
4. Что такое проводник второго рода?
а. Тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму.
б. Перенесение в них зарядов не сопровождается химическими превращениями.
в. Перенесение в них зарядов ведёт к химическим изменениям.
г. Тела в которых практически отсутствуют свободные заряды.
5. Каковы результаты исследования явления высокотемпературной сверхпроводимости?
а. В 1986 г. критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние понизилась более чем на 100° k.
б. В 1986 г. критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние повысилась более чем на 100° k.
в. В 1989 г. критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние не изменилась.
г. В 1989 г. критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние повысилась более чем на 100° k.
