В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Сверхпроводники, их свойства и применение" учащейся Кубанского института профессионального образования была поставлена и реализована цель выявить перспективы использования сверхпроводимости и определить способы их применения.

Подробнее о проекте:

В ученической исследовательской работе по физике "Сверхпроводники, их свойства и применение" автор дает развернутое определение понятия "сверхпроводник", знакомится с историей открытия сверхпроводимости и рассматривает три основные теории в научном мире о сверхпроводимости и свойствах сверхпроводников.

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Сверхпроводники, их свойства и применение" автор рассказывает об Эффекте Мейсснера, а также о магнитных свойствах и тех особенных свойствах сверхпроводников, которые используются в современных технологиях. В работе приведены характеристики сверхпроводимости, рассмотрено применение сверхпроводников и изучены магнитные поля.

Оглавление

Введение         
Раздел 1.
1.1 Историческая справка.
1.2 Три имени, три буквы и неполная теория.
1.3 Температура.
1.4 Эффект Мейсснера.
Раздел 2.
2.1 Свойства сверхпроводников.
2.2 Магнитные свойства.
2.3 Особенные свойства сверхпроводников, которые используются в современных технологиях.
Раздел 3.
3.1 Характеристики сверхпроводимости.
3.2 Применение сверхпроводников.
3.3 Магнитные поля.
Вывод 
Список литературы     

В чем заключается явление сверхпроводимости? Сверхпроводимость представляет собой явление с нулевым электрическим сопротивлением и выбросом полей магнитного потока, возникающих в определенных материалах, называемых сверхпроводниками, при охлаждении ниже характерной критической температуры. Явление было обнаружено голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом 8 апреля 1911 года в Лейдене.

Как и ферромагнетизм и атомные спектральные линии, сверхпроводимость является квантово-механическим явлением. Для него характерен эффект Мейснера - полный выброс линий магнитного поля изнутри сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Такова суть явления сверхпроводимости. Возникновение эффекта Мейснера указывает на то, что сверхпроводимость нельзя понимать просто как идеализацию идеальной проводимости в классической физике.

Актуальность: Сегодня сверхпроводимость - это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьёзные перспективы. Большое распространение получили приборы, основанные на явлении сверхпроводимости, без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни космонавтика.

Цель: Выявить перспективы использования сверхпроводимости способы их применения.

Задачи:

1. Ознакомиться с историей открытия сверхпроводимости.
2. Изучить принцип действия
3. Изучить основные виды сверхпроводимости.
4. Узнать о применение сверхпроводников

Сверхпроводник — материал, электрическое сопротивление которого при понижении температуры до некоторой величины становится равным нулю. При этом говорят, что материал приобретает «сверхпроводящие свойства» или переходит в «сверхпроводящее состояние».неупорядоченных систем», которые дали толчок развитию электронных переключателей и устройств памяти в компьютерах.

История В 1911 году, изучая свойства вещества при очень низкой температуре, голландский физик ХейкеКамерлинг-Оннес и его команда обнаружили, что электрическое сопротивление ртути падает до нуля ниже 4,2 К (-269°C). Это было самое первое наблюдение явления сверхпроводимости. Большинство химических элементов становятся сверхпроводящими при достаточно низкой температуре.

Ниже определенной критической температуры материалы переходят в сверхпроводящее состояние, характеризующееся двумя основными свойствами: во-первых, они не оказывают сопротивления прохождению электрического тока. Когда сопротивление падает до нуля, ток может циркулировать внутри материала без рассеивания энергии. Во-вторых, при условии, что они достаточно слабые, внешние магнитные поля не проникают в сверхпроводник, а остаются на его поверхности. Это явление изгнания поля стало известно как эффект Мейснера после того, как физик впервые наблюдал его в 1933 году.

Обычная физика не дает адекватного объяснения сверхпроводящего состояния, равно как и элементарная квантовая теория твердого состояния, которая рассматривает поведение электронов отдельно от поведения ионов в кристаллической решетке. Только в 1957 году три американских исследователя - Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали микроскопическую теорию сверхпроводимости.

Согласно их теории BCS, электроны группируются в пары посредством взаимодействия с колебаниями решетки (так называемыми «фононами»), образуя таким образом куперовские пары, которые движутся внутри твердого тела без трения. Твердое тело можно рассматривать как решетку положительных ионов, погруженных в облако электронов.

Когда электрон проходит через эту решетку, ионы слегка двигаются, притягиваясь отрицательным зарядом электрона. Это движение генерирует электрически положительную область, которая, в свою очередь, привлекает другой электрон. Энергия электронного взаимодействия довольно слабая, и пары могут быть легко разбиты тепловой энергией - поэтому сверхпроводимость обычно возникает при очень низкой температуре.

Тем не менее, теория BCS не дает объяснения существованию высокотемпературных сверхпроводников при температуре около 80 K (-193 ° C) и выше, для которых необходимо задействовать другие механизмы связи электронов. На вышеописанном процессе и основывается применение явления сверхпроводимости.

В 1986 году было обнаружено, что некоторые купрат-перовскитовые керамические материалы имеют критическую температуру выше 90 K (-183 ° C). Такая высокая температура перехода теоретически невозможна для обычного сверхпроводника, что приводит к тому, что материалы называют высокотемпературными сверхпроводниками.

Доступный охлаждающий жидкий азот кипит при 77 К, и, таким образом, сверхпроводимость при более высоких температурах, чем эти, облегчает многие эксперименты и применения, которые менее практичны при более низких температурах. Это ответ на вопрос, при какой температуре возникает явление сверхпроводимости.

Удивительно, но до 1933 года, никто из исследователей не задался вопросом о проникновении магнитного поля в сверхпроводник. По-видимому ответ казался тривиальным и следовал из представления о сверхпроводнике как о проводнике с бесконечной проводимостью σ = ∞. В соответствии сэтими воззрениями при переходе в сверхпроводящеее состояние магнитное поле должно бы остатьсятаким же, каким было до перехода, или говоря другими словами, замораживаться. Действительно,из материального соотношения

j = σE
и условие конечности тока и бесконечности проводимости следует
E = 0,
откуда, используя уравнение Максвелла
∂B
∂t = −crotE,
мгновенно получаем
∂B
∂t = 0,

т.е поле B - постоянно во времени, заморожено. Если бы мы заморозили сверхпроводник в нулевомполе, а потом поле включили, мы получили бы картинку силовых линий как на Рис.4-(a), а еслиохлаждали в конечном поле, то поле не изменилось бы, и картинка была бы как Рис.4-(b).Австрийский ученый Мейсснер предположил что вопрос о проникновении магнитногополя всверхпроводник не совсем тривиален и в 1933 году предпринял экспериментальные исследованияи обнаружил эффект, который носит его имя.

Он обнаружил, что независимо от того в нулевомили конечном полепроисходит переход в сверхпроводящее состояние, в конечном состоянии внутрисверхпроводника всегда B = 0 и картинка силовых линий выглядит как показано на Рис.4-(a).Это и есть содержание эффекта Мейсснера, из сверхпроводника магнитное поле выталкивается ивнутри сверхпроводника магнитное поле B = 0. Можно сказать, что сверхпроводник представляетсобой идеальный диамагнетик.

Большинство физических свойств сверхпроводников варьируются от материала к материалу, таких как теплоемкость и критическая температура, критическое поле и плотность критического тока, при которых разрушается сверхпроводимость. С другой стороны, существует класс свойств, которые не зависят от основного материала.

Например, все сверхпроводники имеют абсолютно нулевое удельное сопротивление при малых приложенных токах, когда отсутствует магнитное поле или в том случае, если приложенное поле не превышает критического значения. Наличие этих универсальных свойств подразумевает то, что сверхпроводимость является термодинамической фазой и, следовательно, обладает определенными отличительными свойствами, которые в значительной степени не зависят от микроскопических деталей .

Ситуация отличается в сверхпроводнике. В обычном сверхпроводнике электронная жидкость не может быть разделена на отдельные электроны. Вместо этого он состоит из связанных пар электронов, известных как куперовские пары. Это спаривание вызвано силой притяжения между электронами в результате обмена фононами.

Из-за квантовой механики энергетический спектр этой жидкости куперовской пары обладает энергетической щелью, то есть существует минимальное количество энергии ΔE, которое должно быть подано для возбуждения жидкости. Следовательно, если ΔE больше тепловой энергии решетки, заданной kT, где k - постоянная Больцмана, а T - температура, жидкость не будет рассеиваться решеткой. Таким образом, жидкость пары Купера является сверхтекучей, что означает, что она может течь без рассеивания энергии.

Сверхпроводники типа I: те, которые имеют только одно критическое поле, Hc, и резко переходят из одного состояния в другое, когда оно достигнуто. Сверхпроводники типа II: имеющие два критических поля, Hc1 и Hc2, являющиеся совершенными сверхпроводниками под нижним критическим полем (Hc1) и полностью выходящие из сверхпроводящего состояния над верхним критическим полем (Hc2), находящиеся в смешанном состоянии между критическими полями.

Сверхпроводники имеют сопротивление около нуля, а значит, могут проводить ток без тепловых потерь, если они находятся при температурах ниже критических, в магнитных полях и токах ниже критических.

В том случае, если сверхпроводники находятся в магнитных полях ниже некоторого критического значения, то сверхпроводник является идеальным диамагнетиком (магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает).

Если сверхпроводник имеет форму кольца или цилиндра, то его магнитный момент изменяется дискретно (на квант магнитного потока).

Если частота тока ниже критической, то поверхностное сопротивление сверхпроводника в десятки и даже сотни раз меньше, чем у хороших проводников при той же температуре.

В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости появляются, когда температура T понижается ниже критической температуры Tc. Значение этой критической температуры варьируется от материала к материалу. Обычные сверхпроводники обычно имеют критические температуры в диапазоне от около 20 К до менее чем 1 К. Например, у твердой ртути критическая температура составляет 4,2 К.

По состоянию на 2015 г. самая высокая критическая температура, найденная для обычного сверхпроводника, составляет 203 К для H2S, хотя требовалось высокое давление около 90 гигапаскалей. Купратные сверхпроводники могут иметь гораздо более высокие критические температуры: YBa2Cu3O7, один из первых обнаруженных купратных сверхпроводников, имеет критическую температуру 92 К, и были найдены купраты на основе ртути с критическими температурами, превышающими 130 К.

Объяснение этих высокие критические температуры остаются неизвестными. Спаривание электронов из-за фононных обменов объясняет сверхпроводимость в обычных сверхпроводниках, но не объясняет сверхпроводимость в более новых сверхпроводниках, которые имеют очень высокую критическую температуру.

Сверхпроводники еще не получили широкое применение, однако разработки в этой области активно ведутся. Так благодаря эффекту Мейснера возможны «парящие» над дорогой поезда на магнитной подушке – маглевы.

На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы, которые могут применяться на электростанциях.

Криотрон – еще одно применение сверхпроводимости, которое может быть полезно для техники и электронных приборов. Это такое устройство, которое может переключать состояние сверхпроводника из обычного в сверхпроводящее за очень короткое время (от 10⁻⁶ до 10⁻¹¹с). Криотроны могут быть использованы в информационных системах, связанных с запоминанием и кодированием. Так впервые они применялись как запоминающие устройства в ЭВМ. Также криотроны могут помочь в области криоэлектроники, среди задач которой – повысить чувствительность приемников сигнала и сохранить форму сигнала как можно лучше. Здесь достижению поставленных целей способствуют низкие температуры и эффект сверхпроводимости.

Также, в силу отсутствия сопротивления в сверхпроводниках, кабели из такого вещества доставляли бы электричество без потерь на нагревание, что значительно бы повысило эффективность электроснабжения. Сегодня такие кабели требуют охлаждения посредством жидкого азота, что повышает цену на их эксплуатацию. Однако, исследования в этой сфере ведутся, и первая электропередача на основе сверхпроводников была приведена в эксплуатацию в Нью-Йорке 2008-м году компанией AmericanSuperconductor.

В 2015-м году Южная Корея объявила о намерении создать несколько тысяч километров сверхпроводящих линий электропередач. Если добавить к этому недавнее открытие сверхпроводимости графена при комнатной температуре, то в ближайшее время следует ожидать глобальные изменения в области электроснабжения.

Кроме указанных областей применения, сверхпроводимость применяется в измерительной технике, начиная от детекторов фотонов и заканчивая измерением геодезической прецессии посредством сверхпроводящих гироскопов на космическом аппарате «GravityProbe B». Это измерение подтвердило предсказание Эйнштейна о наличии таковой прецессии по причинам, изложенным в Общей теории относительности. Не углубляясь в механизм измерения, следует отметить, что данные о геодезической прецессии Земли позволяют точно калибровать искусственные спутники Земли

Самая близкая к идеальной сфера из всех когда-либо созданных человеком — ротор гироскопа GP-B. Сфера сделана из кварцевого стекла и покрыта тонкой плёнкой сверхпроводящего ниобия. Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня

Использование:

1. быстродействующие вычислительные устройства
2. детекторы магнитного поля и излучений
3. оборудование для связи в микроволновом диапазоне
4. быстродействующие вычислительные устройства
5. детекторы магнитного поля и излучений
6. оборудование для связи в микроволновом диапазоне

Точно так же при фиксированной температуре ниже критической температуры сверхпроводящие материалы перестают сверхпроводить, когда прикладывается внешнее магнитное поле, которое больше критического магнитного поля. Это происходит потому, что свободная энергия Гиббса сверхпроводящей фазы увеличивается квадратично с магнитным полем, в то время как свободная энергия нормальной фазы примерно не зависит от магнитного поля.

Если материал сверхпроводящий в отсутствие поля, то свободная энергия сверхпроводящей фазы меньше, чем у нормальной фазы, и поэтому для некоторого конечного значения магнитного поля (пропорционального квадратному корню из разницы свободных энергий в нуле) две свободные энергии будут равны, и произойдет фазовый переход к нормальной фазе.

В более общем смысле, более высокая температура и более сильное магнитное поле приводят к уменьшению доли сверхпроводящих электронов и, следовательно, к большей глубине проникновения в Лондон внешних магнитных полей и токов. Глубина проникновения становится бесконечной при фазовом переходе.

Из всего вышеприведенного можно сделать вывод, что сверхпроводимость это крайне интересная и ещё не до конца изученная особенность различных веществ. Но основным минусом, не позволяющем ввести сверхпроводники в повседневную жизнь, являются низкие температуры перехода веществ в сверхпроводящее состояние.

И если мы сможем преодолеть этот недостаток, сверхпроводники изменят нашу повседневную жизнь и уровень земных технологий. Ведь спустя почти сто лет со времени открытия сверхпроводимости она из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник миллиардных доходов предприятий электронной индустрии.

1. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МИКРОСТРУКТУР. На правах рукописи Курин Владислав Викторович, Физика сверхпроводников. Вводный курс.
2. Учебное пособие для студентов 4,5 курсов Радиофизического факультета (РФ) и Высшей школы общей и прикладной физики (ВШОПФ) ННГУ им. Лобачевского г.Нижний Новгород, 2004 г.
3. Захарова Е. И., Суюндиков М. М. Применение высокотемпературной сверхпроводимости в металлургической промышленности [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы V Междунар. науч. конф. (г. Москва, январь 2016 г.). — М.: Буки-Веди, 2016. — С. 23-29. — Интернет