Реферат на тему сверхпроводимость

Обновлено: 05.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

1.Свойство сверхпроводимого состояния……………………………3

2.Сверхпроводник в магнитном поле………………………………. 4

3.Изотермические свойства…………………………………………. 5

а.Сверхпроводники I и II рода……………………………………. 9

7.Некоторые применения сверхпроводимости……………………..10

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).

Зависимость критического магнитного поля Нк от температуры Т.

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= ?Н. Коэффициент и называется магнитной проницаемостью вещества.При ? 4 периодов кристаллической

решетки.Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив ,простирающийся на громадные , по атомным масштабам,

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.

Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий двадцатого столетия и заключается в способности некоторых веществ при очень низких температурах проводить электричество без сопротивления, т.е. становиться сверхпроводниками. Как было выяснено, сопротивление металлических проводников уменьшается при понижении температуры. Однако до конца XIX в. нельзя было проверить, как зависит сопротивление проводников от температуры в области очень низких температур.

Цель: изучить принцип действия сверхпроводников и способы их применения.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1.Узнать историю открытия;

2. Изучить принцип действия;

3.Выявить виды и свойства сверхпроводников;

4. Узнать о применение сверхпроводников.

Предварительный просмотр:

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №5 с углубленным изучением химии и биологии

Учебная работа в рамках

обучающаяся 10Т класса Руководитель:

Александровна
учитель физики

Введение стр. 1
Историческая справка стр. 2
Принцип работы стр. 4
Свойства сверхпроводников стр. 5
Применение сверхпроводников стр. 6
Вывод стр. 7
Список литературы стр. 8

Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий двадцатого столетия и заключается в способности некоторых веществ при очень низких температурах проводить электричество без сопротивления, т.е. становиться сверхпроводниками . Как было выяснено, сопротивление металлических проводников уменьшается при понижении температуры. Однако до конца XIX в. нельзя было проверить, как зависит сопротивление проводников от температуры в области очень низких температур.

Цель: изучить принцип действия сверхпроводников и способы их применения.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи :

1.Узнать историю открытия;

2. Изучить принцип действия;

3.Выявить виды и свойства сверхпроводников;

4. Узнать о применение сверхпроводников.

Он открыл и экспериментально исследовал явление сверхтекучести жидкого гелия, а также разработал установки для промышленного производства жидкого кислорода.

В 1911 году Камерлинг Оннес сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля, он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.

В 1957 года еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь. Суть теории заключается в том, что два электрона в пустоте отталкиваются, но в металле положительные заряды ядер экранируют отрицательные заряды электронов, и отталкивание может почти полностью исчезнуть. Во многих случаях экранировка оказывается неполной, и тогда сверхпроводимость не наблюдается. В некоторых случаях решетка сжимается вокруг электрона, создавая, таким образом, облако положительных зарядов, обволакивающее этот электрон и притягивающее другие электроны. Результатом является возникновение незначительного притяжения между электронами. Поскольку это притяжение слабое, оно приводит всего лишь к тому, что электроны передвигаются парами; таким образом, возникает связь в тысячи раз слабее химической. Следовательно, куперовская пара подобна молекуле „двухэлектрона“, а переход в состояние сверхпроводимости можно считать превращением электронного газа в газ, состоящий из таких „молекул“.

Явление сверхпроводимости возникает в металлах и их сплавах при очень низких температурах (25 К и ниже). Существуют справочные таблицы, в которых указываются критические температуры некоторых веществ.
Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, следовательно, не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле, а магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах.

В последние годы явление сверхпроводимости все более широко используется при разработке турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Следует также отметить такое направление в работах по сверхпроводимости как создание устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.

Более подробно рассмотрим следующие направления в использование сверхпроводников:

Экранирование. Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, а также при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве

Аккумулирование. Возможность сверхпроводников аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока используется в современных промышленных аккумуляторах.

Вычислительные устройства. Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры. Ток в сверхпроводящих системах — идеальное запоминающее устройство, способное хранить колоссальное количество данных и выдавать их с фантастической скоростью.

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.Свойство сверхпроводимого состояния……………………………3

2.Сверхпроводник в магнитном поле………………………………. 4

3.Изотермические свойства…………………………………………. 5

а.Сверхпроводники I и II рода……………………………………. 9

7.Некоторые применения сверхпроводимости……………………..10

Зависимость критического магнитного поля Нк от температуры Т.

Сверхпроводник в магнитном поле.

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.

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

Введение

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.

Ознакомиться с историей открытия сверхпроводимости.
Изучить принцип действия
Изучить основные виды сверхпроводимости.
Узнать о применение сверхпроводников

Историческая справка

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.

Три имени, три буквы и неполная теория

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.

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.

Температура

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.

Эффект Мейсснера

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.

Свойства сверхпроводников

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.

Магнитные свойства серхпроводников

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.

Особенные свойства сверхпроводников, которые используются в современных технологиях

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.

Характеристики сверхпроводимости

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.

Применение сверхпроводников

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.

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.

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

быстродействующие вычислительные устройства
детекторы магнитного поля и излучений
оборудование для связи в микроволновом диапазоне
быстродействующие вычислительные устройства
детекторы магнитного поля и излучений
оборудование для связи в микроволновом диапазоне

Магнитные поля

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.

Заключение

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.

Читайте также: