CC BY
28
Использованные источники:
1. И.В.Савельев Курс общей физики. Т.3. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц. М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1970.— 537с.
2. Е.П. Ищенко Криминалистика. Курс лекций. М.: Контракт, АСТ-Москва, 2007. — 416 с.
3. Никитин А.К., ТищенкоА.А. Поверхностные электромагнитные волны и их применение. Зарубежная радиоэлектроника. 1983.№3, с.38-56.
4. Троицкий Андрей Александрович, Березин Владимир Михайлович, Лукашев Владимир Сергеевич Структура и свойства углеродных пленок, получаемых электронно-лучевым распылением в вакууме // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математика. Механика. Физика. 2012. №34.
УДК 538.945
Назаренкова А.А.
студент бакалавриата 3 курса, 03.03.03 «Радиофизика» ФГБОУ «Оренбургский государственный университет»
Россия, г. Оренбург ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ И ЕЁ
ЗНАЧИМОСТЬ В ПОВСЕДНЕВНОЙ ЖИЗНИ Аннотация
В данной статье рассматриваются современные исследование явления сверхпроводимости при высоких температурах. Также обуславливается значимость высокотемпературных сверхпроводников для современной техники.
Ключевые слова: сверхпроводимость, высокотемпературные сверхпроводники, эффект Мейснера, куперовские пары.
Nazarenkova A.A., undergraduate students Third year, 03.03.03 «Radiophysics» Orenburg state university Russia, Orenburg HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVITY AND ITS IMPORTANCE IN EVERYDAY LIFE
Abstract
In this paper, we consider modern studies of the phenomenon of superconductivity at high temperatures. The importance of high-temperature superconductors for modern technology is also stipulated.
Key words: superconductivity, high-temperature superconductors, Meissner effect, Cooper pairs.
В период научно-технического прогресса актуальной является проблема передачи большого количества энергии и создание мощных электрогенераторов. Помочь в решении этого вопроса может явление
сверхпроводимости, которое активно используется в различных отраслях, так как оно исключает потери энергии при её передаче и использовании. Сверхпроводимость - это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении
ими температуры ниже определённого значения, так называемой критической температуры.
Наиболее перспективное направление для исследования - явление сверхпроводимости при комнатной и высокой температуре. Его целью является создание эффективных кабелей для передачи электроэнергии, а также для обмотки трансформаторов. Для того, чтобы добиться сверхпроводимости при комнатной температуре ученые ищут вещество, свободные электроны которого объединяются в куперовские пары при более высокой температуре.
В 1957-м году американские физики Бардин, Купер и Шриффер, уже зная особенность некоторых материалов - почти полное отсутствие электрического сопротивления при низких температурах, пытались объяснить это явление. В разработанной теории это явление объяснялось образованием куперовских пар. Подразумевается, что свободные электроны начинают взаимодействовать с ионов в узле решётки, а тот в свою очередь при небольшом смещении из своего положения утягивает за собой ближайший к нему электрон. Так два электрона взаимодействуют с собой через кристаллическую решетку. Конечно, по сути под действием электрона ион не смещается. Эта модель не совсем верна, но для упрощения будем считать так. Данное явление - квантовое и не поддаётся точному описанию с позиций классической физики. Аналогичным процессом в ядерной физике является взаимодействие нуклонов за счет обмена виртуальным п-мезонами. Куперовские пары могут двигаться по кристаллу без рассеяния, то есть без энергетических потерь. Агентом притяжения здесь были фононы квазичастицы, представляющие собой волновые колебания решетки, распространяющиеся наподобие реальных частиц, которыми электроны при этом обменивались.
Известно, что очень большие электрические токи и сильные магнитные поля при критической температуре уничтожают сверхпроводимость. Однако слабые магнитные поля не влияют на неё. Как показал советский физик-теоретик Абрикосов, магнитные поля средней напряженности проникают внутрь сверхпроводника, образуя вихревые трубки магнитного потока. Материал остается сверхпроводящим до тех пор, пока с ростом напряжённости трубки не перекрываются.
В настоящее время ученые работают над тем, чтобы осуществимость сверхпроводимость при комнатной и высокой температуре стала возможной. Тот факт, что в сверхпроводящее состояние материал переходит при очень низких температурах, делает её использование очень затратным. Совсем недавно учеными было доказано влияние спиновых флуктуаций на сверхпроводимость. Группа исследователей выяснила, что дрожания
спинов электронной подсистемы искадают решетку кристалла. Это делает дрожание спинов более согласованным. Спины как бы выстраиваются в цепочку вдоль какого-то направления в кристалле. Это вызывает нарушения вращательной симметрии решетки. В последнем процессе появляются уже знакомые нам куперовске пары, которые свободно двигаются в кристалле. В ходе эксперимента исследовались монокристаллы селенида железа, на которых рассеивались нейтроны.
В 2001 году в Японии Юун Акимицу открыл новый сверхпроводящий материал - диборид магния, критическая температура которого равна 40 К.
С помощью этого материала создаются сверхпроводящие кабели, охлаждаемые жидким водородом или неоном. Сердцевина кабеля состоит из никелевой подложки, буферного слоя и сверхпроводящего материала -висмута. По такому кабелю можно передавать энергию, сократив её потери в 2 раза, снизить массогабаритные показатели. Ещё одним возможным применением сверхпроводников является их применение в мощных генераторах тока и электродвигателях. Магнитное поле вытесняется из объема сверхпроводника, то есть вокруг сверхпроводящего материала образуется поле. Данное явление называется эффектом Мейснера.
Поэтому обмотка из сверхпроводящего материала могла бы создавать мощное магнитное поле, следовательно, генераторы будут давать большие мощности. Также они применяются в трансформаторах: материалы на основе висмута стали толчком для развития трехфазных и однофазных ВТСП трансформаторов различной мощности, охлаждаемых жидким азотом. Все разработки проводились для трансформаторов стандартной промышленной частоты (50 - 60 Гц). Одним из факторов, которые тормозят широкое внедрение обмоток с высокотемпературной сверхпроводимостью, является их относительно высокая стоимость. Однако при повышении рабочей частоты трансформатора расход обмоточного провода значительно снижается. Это может компенсировать повышенную стоимость обмоток из ВТСП при значительном уменьшении потерь энергии и массы трансформатора.
В Японии на основе эффекта Мейснера создали железную дорогу и поезда, которые ездят на магнитной подушке. Такой состав не касается рельса, что уже значительно экономит энергию из-за отсутствия силы трения, но не стоит забывать о трении всей конструкции о воздух. Скорость такого поезда очень велика и может достигать порядков скорости самолёта. Также они потребляют значительно меньше энергии, чем остальные виды общественного транспорта. Для такой конструкции применяются сверхпроводники второго рода, которые могут содержать в своём объёме вихри. Они постоянны во времени, так как магнитное поле, порождающее их, тоже постоянное.
Явление сверхпроводимости при низкой температуре предполагает расположение МС и обмоток внутри криостата, что с одной стороны, способствует упрощению конструкции криостата и некоторому уменьшению
размеров магнитной системы, с другой стороны, вносит дополнительные теплопритоки, увеличивая потери в МС и энергозатраты на охлаждение. "Тёплое" же исполнение предполагает расположение МС вне криостата, что уменьшает теплопритоки в холодную часть и потери в МС. Жидкий азот служит одновременно и изоляцией, и охлаждающей средой. В последнее время сверхпроводники применяются в термоядерном синтезе. Поскольку намагниченная плазма нестабильна и заряженные частицы стремятся покинуть магнитное поле, то использование сверхпроводников делает осуществление синтеза более удобным. В это же время они являются более выгодными по сравнению с мощными магнитами, так как требуют меньших энергетических затрат. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода нашли активное применение в разработке и создании Большого андронного коллайдера (БАК). С их помощью изготовлены сверхпроводящие цилиндрические элементы магнитной ленты (длиной 27 км), удерживающей в глубоком вакууме протонные пучки на заданной траектории, и сверхпроводящие кабели системы обеспечения электромагнитов ускорительного кольца БАК.
Таким образом, сверхпроводимость очень полезна в промышленности и в науке. Если сверхпроводимость станет возможной при комнатной и высокой температуре, то значительно сократятся затраты во время передачи электроэнергии и потери энергии в трансформаторах.
Использованные источники:
1. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. — М.: Альфа-М, 2006.
2. Соколов С. А. Новое в области сверхпроводимости и перспективы // Т-Сотт . 2010. №8.
3. Чизмик Хасан Нанотехнология: насколько мал наномир в кабельной промышленности // Компоненты и Технологии . 2008. №79.
