Оглавление

Введение. 3

I. История открытия сверхпроводимости.4

II. Виды сверхпроводников и их свойства.4

III. Применение сверхпроводников в современном мире.6

Заключение. 8

Литература и источники. 8

 

Введение

Однажды в поисках материала по нанотехнологиям я узнала, что студенты кафедры «Физика наноструктур и наноэлектроника» Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского занимаются таким явлением, как сверхпроводимость. Мне стало интересно, какие же преимущества сверхпроводники имеют перед обычными проводниками и почему же они не используются в быту.

Цель работы - выявить перспективы использования сверхпроводимости в настоящем и будущем.

Задачи:

1)     ознакомиться с историей открытия сверхпроводимости;

2)     изучить основные виды сверхпроводимости;

3)     выявить практическую значимость и перспективы использования явления СП в современном мире и в будущем;

4)     рассмотреть роль нанотехнологий в развитии комнатной сверхпроводимости.

Методы:

1)     Эмпирические: а) изучение литературных источников;б)самооценка.

    2) Теоретические: а) описание;б) обобщение.

Объект исследования - сверхпроводники.

Предмет исследования - применение сверхпроводников.

Гипотеза –  спектр применения сверхпроводников крайне широк.

 

I. История открытия сверхпроводимости.

Сегодня сверхпроводимость – это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьезные перспективы. Что же представляет собой сверхпроводимость? Какой смысл заложен в этом понятии?

Сверхпроводимость – это квантовое явление, при котором течение электрического тока в материале происходит без диссипации энергии. Оно характеризуется падением до нуля электрического сопротивления при охлаждении сверхпроводника ниже определенной температуры, которая называется температурой сверхпроводящего перехода (Tc) и определяется для каждого конкретного материала.

Другим ключевым параметром является критическая плотность тока (Jc, сила тока, поделенная на сечение сверхпроводника). Это значение соответствует величине плотности электрического тока в сверхпроводнике, при превышении которого образец возвращается в нормальное несверхпроводящее состояние.

Третьим критическим параметром является величина приложенного магнитного поля (Bc), при превышении которой восстанавливается электрическое сопротивление сверхпроводника, и он снова становится несверхпроводящим.

Изучив историю открытий в области сверхпроводимости, я обобщила материал в виде таблицы  (см. Приложение 1).

 

II. Виды сверхпроводников и их свойства.

1.     По температуре перехода в сверхпроводящее состояние

А) Низкотемпературные (Тс ниже 77 К).

В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы – кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла. Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера. Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение.

Б) Высокотемпературные (Тс от 77 до 135 К).

Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

В) Комнатные (293 К).

Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике. Но пока что в этой области сделано очень мало открытий.

2.     По магнитным свойствам: (см. Приложение 2)

А) Сверхпроводники Iрода.

Сверхпроводниками I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры и критической напряженности магнитного поля у них малы, что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера.

Б) Сверхпроводники IIрода.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Они переходят в сверхпроводящее состояние в некотором интервале температур. Значения критической температуры и напряженности у них меньше. В таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля.

Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки.

3. По общим свойствам:

А) Органические сверхпроводники (Tc= 11,5 К).

Б) Соединения типа A-15, представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники (Tc= 23,2 К).

В) Магнитные сверхпроводники или фазы Чевреля, объединяющие ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники (Tc= 15 К и Bc2 (вернее поле) = 60 Тл).

Г) Тяжелые фермионы (Tc=18К) демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом.

Д) Оксидные сверхпроводники без меди – предшественники высокотемпературных сверхпроводников (Tc=31К),  монокристаллы перовскитного диэлектрика – оксида вольфрама, допированного натрием (91 К).

Е) Оксипниктиды – редкоземельные оксидные структуры без меди, (Tc=55К); также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs.

Ж) Оксиды пирохлоров, представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий (Tc= 9,6 К).

З) Рутенокупраты – ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом (Tc= 50 К).

И) Высокотемпературные сверхпроводники – сверхпроводящие купраты, в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO2, (Tc= 166 ± 1,5 K).

К) Редкоземельные борокарбиды (Tc= 23 К).

Л) Кремниевые сверхпроводники (при высоком избыточном давлении Tc= 14 К).

М) Халькогениды – структуры на основе серы и селена (Tc= 4,15 К).

Н) Углеродные сверхпроводники – фуллеренные структуры (Tc= 40 К).

О) MgB2 и родственные структуры (Tc=39К) - дешевые и широкодоступные материалы (магнезию можно купить в любой аптеке!).

4. По типу кристаллических решеток:

А) Мягкие - чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

Б) Твердые – сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Обладают рядом особенностей:

•          при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит на протяжении некоторого температурного интервала;

•         имеют высокую Тс;

•          некоторые имеют 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.

5. По технологическим свойствам:

 А) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты;

Б) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии.

 

III. Применение сверхпроводников в современном мире.

1. Настоящее.

Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на:

• различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;
• микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей, цифровая электроника, искусственные биологические системы;
• макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

Основные области применения явления сверхпроводимости сегодня можно представить в виде таблицы (см. Приложение 4).

Рассмотрим несколько наиболее важных отраслей применения.

А) В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Высокая плотность тока в сверхпроводниках позволяет уменьшать размеры оборудования, а также создавать магнитные поля высокой интенсивности, недостижимые обычной аппаратурой. Ограничивающим фактором является необходимость поддержания проводника при низкой температуре, что само по себе требует энергозатрат, поэтому наиболее актуальны применения в устройствах большой мощности. В этом случае затраты на криообеспечение пренебрежимо малы.

В настоящее время промышленность США уже имеет коммерческие ВТСП изделия - трансформаторы, электрические моторы, токоограничители и силовые кабели. С ростом производства изготовители ВТСП кабелей будут способны установить их во всех электросетях США. ВТСП кабели имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. ВТСП кабели не воздействуют на окружающую среду – они не излучают электромагнитные поля, в них не используют для охлаждения при подземной прокладке технические масла, как в случае традиционных кабелей. Исключение суммы потерь (4 млрд. долл. ежегодно) может компенсировать относительно высокую на данное время стоимость ВТСП кабеля.

На диаграмме (см. Приложение 3) показаны потери в ВТСП и традиционных кабельных сетях при 50 МВА и 132 кВ.

Б) Кто из нас не мечтал в детстве летать? Не так давно в Тель-Авивском университете прошла презентация проекта Superconductivity Group, которая наглядно показала, что эта мечта может сбыться.

Суть квантовой левитации состоит в том, что благодаря правильному использованию физических свойств сверхпроводников их возможно не просто удержать в воздухе, но и заставить двигаться над и даже под магнитными "рельсами" с умопомрачительной скоростью (см. Приложение 4, 5).

В) Несмотря на кажущуюся простоту, трение остается дискуссионной и плохо изученной проблемой. В частности, отсутствие ясной взаимосвязи между трением на микро- и макроскопическом уровне не позволяет вывести фундаментальный закон, позволяющий одинаково правильно описывать это явление на разных масштабах.

С изобретением в 1986 году атомно-силового микроскопа с кантилевером с микроскопической иглой на конце исследование трения переместилось на атомарный уровень, а сама наука о силе трения превратилась в нанотрибологию.

Оказалось, что прояснить ситуацию помогает явление сверхпроводимости.

Неконтактное трение имеет двойную природу: электронное трение (электростатическое плюс ван-дер-ваальсово) и фононное.

Парное объединение электронов при сверхпроводимости проводимости приводит к тому, что они начинают вести себя как единое целое. Благодаря этому единству электроны без потерь энергии двигаются через кристаллическую решетку, игнорируя ее сопротивление.

Значит, если электроны становятся невосприимчивы к препятствиям на своем пути, они не будут реагировать и на внешний раздражитель в виде иглы микроскопа. Следовательно, в системе «игла кантилевера — сверхпроводящая поверхность» вклад в трение будет давать лишь фононная часть, а электронная будет равна нулю.

Группа ученых из Швейцарии и Испании под руководством Эрнста Мейера ряд таких экспериментов, которые доказали, что трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы.

Г) Возможность существования сверхпроводимости при комнатной температуре и выше обосновали лауреат Нобелевской премии В.Л.Гинзбург и У. Литтл. Ими показано, что одной из самых важных проблем в области нанотехнологии является создание комнатнотемпературных сверхпроводников (КТСП). Нанотехнология КТСП позволяет конструировать искусственные слоистые сверхпроводниковые наноструктуры, нанося атомные слои не только из тех материалов, у которых параметры кристаллической решетки близки друг к другу (как требуется для полупроводниковых структур). При нанотехнологии можно использовать гораздо большее разнообразие проводников и диэлектриков, нанося их монослои с атомной точностью для создания искусственных электронного и фононного спектров, необходимых для КТСП. Именно это позволяет сделать исследования и производство сверхпроводящих материалов неким “полигоном” для отработки нанотехнологических методов для сильнокоррелированных структур. Поэтому, создание КТСП - это, в значительной мере, нанотехнологическая проблема и, на мой взгляд, одна из важнейших.

В настоящее время сверхпроводник, работающий при комнатных температурах, может быть изготовлен как в объемном, так и в пленочном виде.

2. Будущее.

Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений.

Одним из самых перспективных направлений является комнатная сверхпроводимость. Оно будет усиленно развиваться, т.к. имеет огромное значение.

В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии. Еще одно перспективное применение сверхпроводников – в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах и на автомобильном транспорте.

Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд будет двигаться плавно, без шума и трения и будет способен развивать очень большую скорость. Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Заключение

Таким образом, возможности применения сверхпроводимости в настоящее время распространяются на многие сферы жизни. В недалеком будущем сверхпроводимость станет одной из базовых составляющих технического прогресса во многих секторах экономики и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни. Благодаря нанотехнологиям будет развиваться комнатная сверхпроводимость, что сможет изменить нашу жизнь к лучшему. Поставленная мной в начале работы гипотеза подтвердилась.

Литература и источники

1.     «Атомпресса» № 9, март 2008 г. Предложения по работам в области технической сверхпроводимости.

2. Боголюбов Н. Н., Толмачев В. В., Ширков Д. В. Новый метод в теории сверхпроводимости. — М.: Изд-во АН СССР, 1958.

3. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. — М.: Альфа-М, 2006.

4. И.А. Ковалёв, С.А. Лелехов, Н.А. Черноплёков и др., Оценка возможности создания подводной ВТСП линии электропередачи постоянного тока мощностью 1 ГВА с рабочим напряжением 500 кВ /Сборник трудов «Российский электротехнический конгресс», секция 9, С. 16.

5. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. Книга для учащихся – М.: Просвещение, 1991.

6. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994.

7. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996

8. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников.  М.: Изд-воМЦНМО, 2000.

9. Ren Y., Weinstein R., Sawh R., Liu J. // Phys. C. - 1997. - Vol. 282-287. - P. 2301.

 10. Sakai N., Mase H., Ikuta H., et al. // Supercond. Sci. Technol. - 2000. - Vol. 13. - P. 770-773.

11. ru.wikipedia.org.

12. electricalschool.info.

 

Приложение 1.

Дата	Исследователь	Открытие
8 апреля 1911 г.	Хейке Камерлинг-Оннес	Обнаружил, что при 3 Кельвинах электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Во время дальнейших экспериментов ситуация повторялась.
1912 г.	Хейке Камерлинг-Оннес	Обнаружено, что свинец и олово переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах.
1914 г.		Было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем.
1919 г.		Было доказано, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.
1930 г.	Л.В. Шубников и В. Де Гааз	Эффект Шубникова - де Гааза  - осцилляции магнетосопротивления плёнок висмута при низких температурах
1933 г.	Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд	Эффект Мейснера - полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при переходе в сверхпроводящее состояние
1934 г.	Пётр Леонидович Капица	Получил жидкий гелий на созданной им установке для ожижения гелия адиабатическим методом, в которой поршневой детандер работал при температуре 15 К на газовой смазке
1935 г.	Фриц и Хайнц Лондон	Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости.
1950 г.	Л.Д. Ландау и В.Л. Гинсбург	Построена более общая теория
1952 г.	А.А. Абрикосов	Выдвинул идею о существовании сверхпроводников II рода
1957 г.	Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер	Объяснили сверхпроводимость на микроскопическом уровне. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.
1960 г.	А.А. Абрикосов и Л.П. Горьков	Разработали теорию сверхпроводников с магнитными примесями и предсказали явление бесщелевой сверхпроводимости.
1960 г.	Дж. Кюнцлер	Открыл материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².
1962 г.	Брайан Джозефсон	Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника
1964 г.	Билл Литл	Выдвинул предположение о возможности создания органических сверхпроводников (на основе углерода)
	Филип Уоррен Андерсон	Разработал три теории: локализации, антиферромагнетизма и высокотемпературной сверхпроводимости
1971 г.	Дуглас Дин Ошеров, Дэвид Морис Ли и Роберт Колман Ричардсон	Открытие сверхтекучести гелия-3.
1980 г.	Клаус Бечгаард	Создал органический сверхпроводник при температуре 1,2 K и очень высоком давлении.
1986 г.	Георг Беднорц и Карл Мюллер	Открыли сверхпроводимость у керамики на основе оксидов меди, лантана и бария с температурой перехода 30К. Появился новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных.
1987 г.		Достигли 92 градусов К,заменив в формуле, открытой Мюллером и Беднорцом, Иттербий на Лантан.
1987 г.	Стивен Чу	Синтезировал керамику из оксидов бария, иттрия и меди с критической температурой 93 К.
1988 г.	Аи Маеда	Синтезировал серию соединений состава Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, среди которых фаза с n=3 имела Тс=108К.
1988 г.	Шенг и Харман	Получили сверхпроводник Tl2Ba2Ca2Cu3O10 c T с = 125K.
1993г.	Антипов и Путилин	Открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников, среди которых и рекордсмен, имеющий наибольшее известное значение критической температуры – 135К.
2001г.	Дэниел Дюрек	Синтезировал объемный сверхпроводник на основе химического соединения Ag5Pb2O6, который имеет сверхпроводимость в диапазоне температур 215..525 К.

Приложение 2.

см. оригинальный текст работы в формате .docx

Приложение 3.

см. оригинальный текст работы в формате .docx

Приложение 4.

см. оригинальный текст работы в формате .docx

Приложение 5.

см. оригинальный текст работы в формате .docx

Приложение 6.

Применение	Примечания
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
Магниты - научно-исследовательское оборудование - магнитная левитация	НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП
Передача энергии	Отсутствие электрического сопротивления позволяет использовать сверхпроводники для эффективной передачи электроэнергии. Бóльшая устойчивость к работе при перегрузках позволит заменить традиционный трансформатор менее мощным сверхпроводниковым, а уменьшенное старение изоляции из-за низких рабочих температур и отсутствия температурных градиентов позволит увеличить время эксплуатации
Аккумулирование	Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока
Вычислительные устройства	Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры
Медицина	Широко используется электронная томография. Она проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса, и пациент находится в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.
Различная техника	Эволюция температуры сверхпроводящего перехода привела к возможности использования хладагентов для ожижителей и рефрижераторов с все более высокой температурой кипения.
	ВТСП токоограничитель является крайне быстродействующим устройством, позволяющим не только ограничить установившееся значение тока короткого замыкания, но и практически полностью срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания, на что принципиально не способен ни один из самых совершенных быстродействующих выключателей.
	Сверхпроводящие индукционные печи уже являются коммерческим продуктом. Экономия электроэнергии в них составляет свыше 40%.
Военный и коммерческий флот	Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже. даже с учетом потребляемой криогенным обеспечением мощности КПД ВТСП электродвигателей выше, чем у традиционных.

 

Вложение	Размер
sverhprovodimost_rabota.docx	102.35 КБ