Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы icon

Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы



НазваниеСверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы
Дата конвертации10.08.2012
Размер89.15 Kb.
ТипРеферат
Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы


Cверхпроводники: история развития, современное состояние и перспективы Открытие в конце 1986 года нового класса высокотемпературныхсверхпроводящих материалов радикально расширяет возможности практическогоиспользования сверхпроводимости для создания новой техники и окажетреволюционизирующее воздействие на эффективность отраслей народногохозяйства. Явление, заключающееся в полном исчезновении электрическогосопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры,было открыто нидерландским физиком Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 году, аудовлетворительное объяснение, отмеченное именами американских физиковЛ.Купера, Дж.Бардина ,Дж.Шриффера, советского математика и физикаН.Н.Боголюбова, получило практическое использование этого явления всередине шестидесятых годов, после того как были разработанысверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений - настолькотрудна была проблема. Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большогоколичества соединений и сплавов (Тк ( 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К –высокотемпературные сверхпроводники.)Синтезом всё новых и новых материаловуже удалось поднять сверхпроводимость до 160 К(почти (100 (((В составевсех этих высокотемпературных сверхпроводников ВТСП обязательноприсутствуют ионы меди Сu(((роль их в возникновении сверхпроводимости покане ясна ), которые служат как бы микроскопическимимагнитами.Сверхпроводимость материалов с Тк ( 23К объясняется наличием ввеществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположнымиспинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодарявзаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все парынаходятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они неподчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованымежду собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единыйсверхпроводящий конденсат.Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электроновс каким-либо другими квазичастицами.У сверхпроводимости три врага: высокиетемпературы, мощные магнитные поля и большие токи.Если их величины превысятпредельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает,сверхпроводник становится обычным проводником.По взаимодействию с магнитнымполем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I иII рода.Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле«выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю(эффект Мейсснера).Напряжонность магнитного поля, при котором разрушаетсясверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называетсякритическим магнитным полем Нк.У сверхпроводников второго рода существуетпромежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутрисверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 –нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическое поле. Н < Нк1 – индукцияв сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 – сверхпроводимостьнарушается.Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускатьток силой: [pic] (критический ток).Объясняется это тем, что поле,создаваемое током, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся наповерхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца свыделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:|Вещество |Тк К |(0Нк1 Тл |(0Нк2 Тл ||Pb |7.2 |0.55 | ||Nb |9.2 |0.13 |0.27 ||Te |7.8 | | ||V |5.3 | | ||Ta |4.4 | | ||Sn |3.7 | | ||V3Si |17.1 | |23.4 ||Nb3Sn |18.2 | |24.5 ||Nb3Al |18.9 | | ||Nb3Ga |20.3 | |34.0 ||Nb3Ge |23.0 | |37.0 ||(Y0.6Ba0.4)2|96 | |160(20 ||CuO4 | | | ||Y1.2Ba0.3CuO|102 | |18 при 77К ||4-8 | | | |Сверхпроводимость до сих пор привлекает к себе пристальное внимание состороны физиков-теоретиков.Ввиду сложности явления разрабатываются какможно более простые модели, из которых были бы предельно ясны его основныечерты. Одно из упрощений связано с понятием размерности.Интуитивно ясно,что двухмерную, плоскую кристалическую структуру исследовать, вообщеговоря, легче, чем трёхменую, пространственную; одномерную, линейную-проще, чем двухмерную. Вот почему, рассуждая о сверхпроводимости, теоретикичасто обращаются к модели так называемого одномерного кристалла. Егочастицы взаимодействуют друг с другом лишь в одном каком-то направлении, ав двух других, поперечных направлениях взаимодействие между частицамипренебрежимо малы. В рамках такой модели американский физик У.Литлл в 1964 году выдвинулсмелое предположение: возможны сверхпроводники не металлической, аорганической природы. Важное место в своих рассуждениях Литлл отводилполимерным молекулам, в основной цепи которых есть чередующиеся единичные икратные связи (химики называют такие связи сопряжёнными). Дело в том, чтокаждая химическая связь, соединяющая атомы,- это пара принадлежащих имобоим электронов. В цепочке сопряженных связей степень обобщестленияэлектронов еще выше: каждый из них в равной мере принадлежит всем атомамцепочки и может свободно перемещаться вдоль нее. Эту особенностьсопряженных связей в основной цепи полимерной молекупы Литлл полагал важнойпредпосылкой для перехода в сверхпроводящее состояние. Необходимой дляперехода он считал и особую структуру ответвлений от основной цепи.Составив проект своего полимера, ученый заключил: вещество с такимимолекулами обязано быть сверхпроводящим; более того - в это состояние онодолжно переходить при не очень низкой температуре, возможно, близкой ккомнатной. Проводники, свободные от всяких энергетических потерь при совершеннообычных условиях, конечно же, совершили бы революцию в электротехнике.Идеяамериканского физика была подхвачена во многих лабораториях различныхстран. Однако довольно быстро выяснилось, что придуманный Литллом примерникоем образом перейти в сверхпроводящее состояние не способен. Ноэнтузиазм рожденный смелой идей ,дал свои плоды, пускай и не там, где онипредвиделись на первых порах. Сверхпроводимость была таки обнаружена запределами мира металлов. В 1980 году в Дании группа исследователей подруководством К. Бекгарда, эксперементируя с органическим веществом из класаион-радикальных солей, перевела его в сверхпроводящее состояние придавлении 10 килобар и температуре на 0,9 градуса выше абсолютного нуля. В1983 году коллектив советских физиков , возглавляемый доктором физико-математических наук И.Ф. Щеголевым, добился от вещества того же классаперехода в сверхпроводящее состояние уже при 7 градусах абсолютной шкалытемператур и при нормальном давлении.В ходе всех этих поисков и пробвниманием исследователей не был обойден и карбин.( Карбин - органическоевещество, крайне редко встречающееся в природе. Структура которого -бесконечные линейные цепочки из атомов углерода.Свою структуру сохраняетпри нагреве до 2000 (С , а затем, начиная примерно с 2300 (С, онаперестраивается по типу кристаллической решётки графита.Плотность карбинасоставляет 1,9(2,2 г/см(.(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…)) В связи с тем, что критические температуры этих материалов непревышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройстваэксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотряна дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты на его ожижение,сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому рядунаправлений началось практическое использование сверхпроводимости.Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явилисьэлектромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок, МГД-генераторов. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковыхэлектрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитныхсепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странахначалось массовое производство диагностических медицинских ЯМР-томографовсо сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых оценивается внесколько млрд. долларов. Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическаятемпература которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковыхустройств, поскольку стоимость хладоагента и затраты на поддержаниенеобходимой температуры снижаются в 50-100 раз. Кроме того, открытиевысокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30 - вплоть докомнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температураповышена с 30 - 130 К. Эффект Джозефсона. Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом,например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельныйсверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящихкуперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны междусобой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар дажечерез очень тонкий слой изолятора. Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парамисостояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность инаправление обмена определяется разностью фаз волновых функций междусистемами. Если разность фаз (=(1 - (2, тогда из квантовой механикиследует [pic] . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е1 и Е2могут отличаться только если между этими точками существует разностьпотенциалов Us. В этом случае [pic] (1) Если сверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделеныслабым контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняямагнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом [pic]. Учитывая,что квант потока [pic] и поток Ф через контур может быть лишь nФ0, гдеn=0,(1,(2,(3,... Джозефсон предсказал, что [pic] (2) Где: Is – ток через контакт Ic – максимальный постоянный джозефсоновский ток черезконтакт ( -- разность фаз. Из (1), (2) следует [pic]. Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле,то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. Вбольшинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контуриз нескольких контактов, включенных параллельно, так называемыйсверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величинамагнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площадиконтура и может быть очень мала. Поэтому СКВИДы применяют там, где нужнабольшая чувствительность. ПЕРСПЕКТИВЫ ВТСП. Вероятно тютчевские слова “Нам не надо предугадать, как слово нашеотзовётся” для науки справедливы даже более, чем для житейских ситуаций.Только время позволит судить о том, сделает ли научное открытие жизнь людейлучше.Кроме того профессионал в области фундаментальных исследований может,как правило, претендовать только на статус любителя по части ихпрактических приложений. Тем не менее возможно указать на некоторыеперспективы: -когда рассматривался как ВТСП карбин то мечты о его высокотемпературнойсверхпроводимости можно было считать беспочвенными: уж очень сходен карбинпо своей структуре с тем полимером , который предлагал Литлл и который былотвергнут как экспериментаторами, так и теоретиками.Зная это, хотелось бынапомнить, что в науке порой складывались ситуации, образно описываемыедревним изречением: (Камень, который отвергли строители,( тот самыйсделался главою угла(. Создание конкретных технических изделий на основе ВТСП материаловнаиболее реально в ближайшее время именно в слаботочной технике, т.е. вмикроэлектронике и вычислительной технике. В рамках программы предполагается разработка и освоение серийногопроизводства трех классов электронных сверхпроводниковых приборов: - СКВИДы (приборы на основе джозефсоновских переходов) как детекторыслабых магнитных полей для применения в медицине (магнитоэнцефалография),геологии и геофизике (поиск полезных ископаемых, изучение геологическогостроения земной коры, прогноз землетрясений), материаловедении(неразрушающий контроль материалов, конструкций), военной технике(обнаружение магнитных аномалий, в частности, глубинных подводных лодок),научных исследованиях, связи и навигации.Широкое освоение и внедрение СКВИД магнитометрического метода измеренийпозволит в короткий срок качественно изменить многие виды измерительнойтехники, повысить в сотни и более раз чувствительность приборов иточность измерений, подвести измерительные возможности широкойноменклатуры датчиков к теоретическому пределу, вывести измерительную технику на высший качественно новый уровень. - Аналого-цифровые приборы (АЦП), использующие сверхбыстрые (долипикосекунды) переключения от джозефсоновского к "гиверовскому" режимуработы, для применений в новейших системах связи, цифровых вычислительныхустройствах для обработки и анализа аналоговых сигналов и др. - Приборы, основанные на эффекте появления на джозефсоновском переходепостоянного напряжения при подаче на него СВЧ сигнала, для использованияв прецизионных измерительных системах (например, эталон Вольта). Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже внастоящее время разработаны, изготовлены и испытаны макеты ячейки памяти,сверхчувствительный элемент считывания на ВТСП пленках с кратным снижениемэнерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания,сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительностьсистем в 10 - 100 раз. Внедрение ВТСП в вычислительную технику дасткратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход наВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых суперЭВМпозволит повысить их производительность с 10х9 до 10х12 операций/сек. Одной из перспективных областей применения ВТСП будет космическаятехника - бортовые и "забортовые" измерительная аппаратура ивычислительные системы (возможна работа без специальных устройствохлаждения, так как "теневая" температура у спутников - 90 К). При этомпри переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз,объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз. Широкие перспективы использования ВТСП открываются в СВЧ-технике и всоздании датчиков видимого и ИК диапазона с высокой чувствительностью. Список литературы:Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящие материалы» М. МИЭМ 1990Журналы: “Наука и жизнь”: №2,1985г.; №9,1994г.; №5,1996г.; №9,1996г.; №8,1997г..---------------------------------------------------------------------------------------------- КГУ им. Шевченка Радиофизический факультет Реферат по предмету “История физических наук” Преподаватель Коваленко В. Ф. Студент 3-го курса,специальность АНД Цяпа С.М.----------------------------------------------------------------------------------------------




Нажми чтобы узнать.

Похожие:

Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconНазвание темы
Система национальных и международных транспортных коридоров: современное состояние, история развития, проблемы и перспективы
Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconНазвание темы
Система национальных и международных транспортных коридоров: современное состояние, история развития, проблемы и перспективы
Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconРеферат на тему: Современное состояние и перспективы развития инвестиционной деятельности в Российской Федерации Студент группы к-3-6 Данилов Е. Е
Современное состояние и перспективы развития инвестиционной деятельности в Российской Федерации
Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы icon«Логистика и управление цепями поставок»
Система национальных и международных транспортных коридоров: современное состояние, история развития, проблемы и перспективы
Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconЗаявка на участие в научно-методическом семинаре «Подготовка научных кадров высшей квалификации: современное состояние и перспективы развития»
«Подготовка научных кадров высшей квалификации: современное состояние и перспективы развития»
Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconПрограмма дисциплины «международные транспортные коридоры» для специальности 080506. 65
Система национальных и международных транспортных коридоров: современное состояние, история развития, проблемы и перспективы
Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconСовременное состояние и перспективы развития инвестиционной деятельности в Российской Федерации

Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconСовременное состояние и перспективы развития инвестиционной деятельности в Российской Федерации

Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconРоссийский медико-производственный комплекс: современное состояние и перспективы развития

Сверхпроводимость : история развития, современное состояние, перспективы iconСовременное состояние и перспективы развития нанотехнологического оборудования
В докладе представлены три направления развития приборостроения для нанотехнологий, в концепте которых работают разработчики группы...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы