Сверхпроводники и криопроводники реферат

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.

Свехпроводники и криопроводники

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверх-проводимого перехода или критической температурой перехода Ткр.

Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Тк материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тк . Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тк и критической напряженности магнитного поля.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Тк, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов;

большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;

меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Некоторые металлы могут достигать при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопро-водниками (гиперпроводниками).

Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками.

Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tсв, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления
постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода.

Содержание

1. Сверхпроводники: общие сведения;
2. Требования, предъявляемые к сверхпроводникам ;
3. Эффект Мейсснера;
4. Классификация сверхпроводников;
5. Применение в РЭА и ЭВА аппаратуре.
6. Криопроводники

Работа содержит 1 файл

мэт.docx

Министерство Образования и Науки Российской Федерации Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра Полупроводниковых Приборов и Микроэлектроники

Студент: Дольникова А. С.

Преподаватель: Дикарева Р. П.

Отметка о защите:

Сверхпроводники: общие сведения;
Требования, предъявляемые к сверхпроводникам ;
Эффект Мейсснера;
Классификация сверхпроводников;
Применение в РЭА и ЭВА аппаратуре.
Криопроводники

Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры T_св, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления

постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Т_св материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.

Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток (например, с помощью магнитного поля), то он не будет затухать в течение длительного времени. По скорости уменьшения магнитного поля наведенного тока в кольце была произведена оценка удельного сопротивления материалов в сверхпроводящем состоянии, которое составило около 10 -25 Ом·м, что в 10 17 раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре.

При R=0 разность потенциалов на любом отрезке сверхпроводника равна нулю. Это означает, что электрическое поле внутри сверхпроводящего материала отсутствует. Электроны, создающие ток, в этом случае движутся с постоянной скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов решетки и ее неоднородностях. Чтобы создать сверхпроводящий ток, нужно затратить лишь начальную энергию, ускоряя электроны до определенной скорости дрейфа. Ситуация меняется, если к сверхпроводнику прикладывается переменное электрическое поле. В течение каждого периода создаваемый ток изменяет свое направление. Следовательно, в сверхпроводнике должно существовать электрическое поле, которое периодически замедляет электроны и ускоряет их в противоположном направлении. Так как на это расходуется энергия от внешнего источника питания, электрическое сопротивление на переменном напряжении в сверхпроводящем состоянии не равно нулю. Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале температур.

Требования, предъявляемые к сверхпроводникам

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Т_св . Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов. Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Т_св и критической напряженности магнитного поля.

О его наблюдении сообщили немецкие физики В. Мейсснер и Р. Оксенфельд в 1933 году. До сих пор мы называли сверхпроводимостью исчезновение электрического сопротивления. Однако сверхпроводимость — нечто более сложное, чем просто отсутствие сопротивления. Это еще и определенная реакция на внешнее магнитное поле. Эффект Мейсснера заключается в том, что постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего образца. В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется до нуля, сверхпроводимость и магнетизм можно назвать как бы противоположными свойствами.

При поиске новых сверхпроводников проверяются оба главных свойства сверхпроводимости:

в сверхпроводнике обращается в нуль электрическое сопротивление;
из сверхпроводника выталкивается магнитное поле.

Для доказательства существования сверхпроводимости необходимо наблюдать проявления по меньшей мере обоих главных ее свойств. Весьма эффектный опыт, демонстрирующий присутствие эффекта Мейснера, представлен на рис. 2: постоянный магнит парит над сверхпроводящей чашечкой. Впервые такой опыт осуществил советский физик В. К. Аркадьев в 1945 году.

В сверхпроводнике возникают выталкивающие магнитное поле токи, их магнитное поле отталкивает постоянный магнит и компенсирует его вес. Существенны и стенки чашечки, которые отталкивают магнит к центру. Над плоским дном положение магнита неустойчиво, от случайных толчков он уйдет в сторону.

Схематическое объяснение эффекта Мейсснера:

а — нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре (1), внесен в магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл (2). Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Магнитное поле пронизывает образец нормального металла и практически однородно (3);

б — из нормального состояния при температуре выше T_c есть два пути: Первый: при понижении температуры образец переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из образца. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в образец, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется. Выключение магнитного поля дает ту же картинку;

в — если бы не было эффекта Мейсснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается.

Классификация сверхпроводниковых материалов

К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях. Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники. Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;
некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Т_с_в, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;
при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;
имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;
зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

критическая температура перехода Т_с_в в ряде случаев значительно превышает Т_с_в объемных материалов;
большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;
меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Некоторые металлы могут достигать при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопроводниками (гиперпроводниками).

Рис. 3-1. Зависимость полного сечения сталеалюминиевого провода марки АС (кривая 1), сечения стального сердечника (кривая 2) и активного электрического сопротивления (при частоте 50 Гц) единицы длины провода (кривая 3) от внешнего диаметра провода D

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый и из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода. На рис. 3-1 приведены некоторые характеристики сталеалюминиевого провода марки АС.

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление r (около 0,1 мкОм-м); значение r стали, т. е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше.

При пер еменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, поэтому в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводникового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10—0,15 %, имеющая предел прочности при растяжении s_р =700—750 МПа, относительное удлинение перед разрывом Dl /l = 5 —8 % и удельную проводимость g , в б—7 раз меньшую по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточновыгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механической прочностью.

Биметалл. В некоторых случаях для уменьшения расходов цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический . Холодный способ обеспечивает равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Рис. 3-2. Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависимости от энергии квантов излучения

Биметалл имеет механические и электрические свойства, промежуточные между свойствами сплошного медного и сплошного стального проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот, весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, в целом, с другой — медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии. Биметаллическая проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм содержанием меди не менее 50 % полной массы проволоки. Значение Стр (из расчета на полное сечение проволоки) должно быть не менее 550—700 МПа, а Dl /l не более 2 %. Сопротивление 1 км биметаллической проволоки постоянному току (при 20 °С) в зависимости от диаметра от 60 (при 1 мм) до 4 Ом/км (при 4 мм).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Защитные свойства стали от излучений высокой энергии приведены на рис. 3-2.

4. Сверхпроводники и криопроводники

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, температура Т_с , при охлаждении до которой вещество переходит в сверхнроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего перехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость нарушается и вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости g .

Рис. 4-1. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверх проводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с , характерного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электрическим током сверх проводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от источника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неудачей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с , но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В₀ (в первом приближении, по крайней мере для чистых сверхпроводниковых металлов, безразлично, создается ли индукция В_с током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверхпроводника, изображенной на рис. 4-1. Каждому значению температуры Т данного материала, находящегося в сверх проводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с . Наибольшая возможная температура перехода Т_с (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводникового электромагнита — при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина.

Рис. 4-2. Диаграммы состояния сверхпроводника II рода — станнида ниобия Nb₃ Sn (кривые 1 и 2) и сверхпроводника I рода — свинца РЬ (кривая 3)

В 50-х годах нашего столетия были открыты новые сверхпроводники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверх проводниковых металлов (сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками II рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверх проводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние между нижним В_С1 и верхним B_С2 значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур Т 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряже?

Нулевое электрическое сопротивление или сверхпроводимость. Фазовый переход в сверхпроводящее состояние. Исследование эффектов Мейсснера и Джозефсона, момента Лондона. Рассмотрение магнитно-вихревой и квантово-механической теории сверхпроводников.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	27.08.2015
Размер файла	282,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Специальность: 140400.62 Электроснабжение

РЕФЕРАТ по учебной практике

на тему: Сверхпроводниковые материалы: свойства и применение

Вариант №30

Проверила: канд. физ.-мат. наук, доцент В.Т. Сидорова

Студент: группы ЭЭ-21 Ананьев С.В.

Йошкар-Ола, 2012

Содержание

Перечень сокращений

Введение

1. История открытия

2. Сверхпроводники

2.1 Свойства проводников

2.1.1 Нулевое электрическое сопротивление или сверхпроводимость

2.1.2 Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

2.1.3 Эффект Мейсснера

2.1.4 Изотопический эффект

2.1.5 Эффект Джозефсона

2.1.6 Момент Лондона

3. Теории, касающиеся сверхпроводимости

3.1 Магнитно-вихревая теория

3.2 Квантово-механическая теория

4. Использование сверхпроводников

Заключение

Список литературы

сверхпроводник фазовый электрический сопротивление

ВТСП - высокотемпературный сверхпроводник

ЛЭП - линии электропередач

НТСП - низкотемпературный сверхпроводник

СКВИД - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство

Впервые гелий был ожижен в 1908 г. Хайке Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете, и с того времени стало возможным изучать физические явления при температурах лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля (точка кипения гелия при атмосферном давлении 4,2К). Одно из направлений исследований касалось зависимости сопротивления металлов от температуры. [5]

Чуть более 10 лет назад в средствах массовой информации стали упоминаться такие понятия как "сверхпроводимость", " высокотемпературная сверхпроводимость", "низко - температурная сверхпроводимость" термины, которые ранее обычно употребляли только специалисты - физики. Сообщалось о революционном научном открытии, о прорыве в микроэлектронике и наступлении новой эры в техническом развитии общества.

Почему было уделено тогда, и тем более сегодня, такое внимание явлению, известному ученым и специалистам уже десятки лет, но с которым большинство людей сталкивались разве что в произведениях писателей-фантастов? В чем суть этого явления, и какие оно сулит перспективы? Чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к истории открытия сверхпроводимости и поясним основные понятия, связанные с ним.

1. История открытия

Сверхпроводимость -- вещь странная и, в некоторой мере, даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то, в результате наличия у провода электрического сопротивления, ток совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, в результате чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона -- носителя тока -- с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается -- вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей. Всё дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением, и, вследствие этого, при протекании по ней электрического тока, выделяет тепловую энергию

В 1911 году нидерландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes, 1853-1926) сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля (который, напомним, составляет -273°С по шкале Цельсия или -460°F по шкале Фаренгейта), он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. Почему такое происходит, он, собственно, не мог даже, и догадываться, но факт оказался налицо. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость [5].

Сверхпроводники - это вещества, электрическое сопротивление которых при понижении температуры до определенного значения (температура сверхпроводимости) становится равным нулю. Свойствами сверхпроводников обладают некоторые металлы, несколько сотен сплавов и соединений металлов, некоторые сильно легированные полупроводники. Причем отдельные металлы, входящие в сверхпроводниковые сплавы и соединения, могут сами по себе и не являться сверхпроводниками.

Интересно, что хорошие проводники (медь, серебро, золото) не обладают свойствами сверхпроводимости. Диэлектрики и полупроводники (за исключением высоколегированных) не обладают также свойствами сверхпроводимости из-за малого количества свободных электроном.

В зависимости от характера изменения своих свойств, при влиянии магнитного поля сверхпроводники разделяют на два типа: I и II рода. Сверхпроводники I рода при действии на них магнитного поля определенной критической напряженности переходят в сверхпроводящее состояние скачкообразно. Сверхпроводники II рода наоборот - переходят постепенно [2].

2.1 Свойства сверхпроводников

2.1.1 Нулевое электрическое сопротивление или сверхпроводимость

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 сверхпроводимости, а об особом, наблюдаемом при низких температурах состоянии вещества.

Сейчас выявлена целая группа веществ - сверхпроводников (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, синтезированное 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 кристалла. 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.

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) [4].

2.1.2 Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Рисунок 1 График роста рекордных значений Тс

2.1.3 Эффект Мейсснера

В 1933 г. Мейсснером было открыто одно из параметров сверхпроводников (эффект Мейсснера). Оказалось, что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего эталона. Если этот эталон при температурах более больших, чем Тк, то в нем, как и во всяком обычном сплаве, помещенном во внешнем поле. Напряженность будет хорошей от нуля. Не выключая внешнего магнитного поля, начнем равномерно понижать температуру. Тогда окажется, что в момент перехода в сверхпроводящее
состояние магнитное поле втолкнется из эталона 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 возникает хорошая от нуля индукция В, равная В= 1Н. Коэффициент и именуется магнитной проницаемостью вещества. При электрический ток, собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю. Что в итоге и приводит к нулевому значению индукции в толще эталона [1].

Идеальный диамагнетизм сверхпроводников значит 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, тесновато соединены меж собой и являются следствием общей закономерности, которую и установила теория сверхпроводимости.

Довольно мощное 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 вещества из сверхпроводящего состояния в обычное, именуется критическим полем.

Таким образом, сплав можно перевести из сверхпроводящего состояния, воздействуя на сверхпроводник магнитным полем (Рисунок 2). Тем не менее, был найден класс веществ, сохраняющих свойство сверхпроводимости в массивных магнитных полях и при мощных токах.

Читайте также: