XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Явление сверхпроводимости был открыто в 1911-м году голландским физиком и химиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Сверхпроводник — материал, электрическое сопротивление которого при понижении температуры до некоторой величины Tстановится равным нулю. При этом говорят, что материал приобретает «сверхпроводящие свойства» или переходит в «сверхпроводящее состояние» [2].

Изначально сверхпроводники имели очень ограниченное применение, поскольку их рабочая температура не должна была превышать 20К (-253°C) [2].

Сверхпроводящее состояние, в котором электрическое сопротивление вещества равно нулю, разрушается, если температура оказывается выше так называемой критической. Так, например, температура жидкого гелия в 4,2К (-268,8°C) хорошо подходит для работы сверхпроводника, но для охлаждения и поддержания такой низкой температуры требуется затратить много энергии, что технически весьма проблематично [3].

Классификация, типы и виды сверхпроводников:

По отклику сверхпроводников на магнитное поле они делятся сверхпроводники 1 (первого) рода и сверхпроводники 2 (второго) рода.

Сверхпроводники 1 (первого) рода по достижению единственного определенного значения напряженности магнитного поля (т.н. критического магнитного поля, Hc) теряют свою сверхпроводимость. До этого значения магнитное поле огибает сверхпроводник, а свыше его – проникает внутрь и проводник теряет свою сверхпроводимость. Например: цинк, алюминий, олово.

У сверхпроводников 2 (второго) рода имеется два критических значения магнитного поля Hc₁ и Hc₂. При приложении магнитного поля первого критического значения Hc₁ происходит частичное проникновение магнитного поля в тело сверхпроводника, однако сверхпроводимость сохраняется. Выше второго значения критического поля Hc₂, сверхпроводимость разрушается полностью. В магнитных полях от первого до второго критического значения в сверхпроводнике существует вихревая структура магнитного поля. Например: ниобий, сереводород [5].

Физические свойства

1. Нулевое электрическое сопротивление.

Сопротивление сверхпроводников равно нулю только тогда, когда через него пропускают постоянный электрический ток. Если же пропускать переменный электрический ток, то оно отлично от нуля и возрастает с повышением температуры [6].

2. Критическая температура сверхпроводников.

Критическая температура делит сверхпроводники на два состояния: обычное и сверхпроводящее [6].

3. Критическое магнитное поле сверхпроводников.

Если сверхпроводник поместить во внешнее магнитное поле, то последнее будет огибать его. Однако при определенных – критических значениях магнитного поля материал потеряет свои сверхпроводящие свойства и станет обычным материалом. Данное значение магнитного поля принято считать критическим полем [6].

4. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником из своего объёма.

Это явление было названо эффектом Мейснера по имени первооткрывателя. Впервые явление экспериментально наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом. Эффект Мейснера означает полное вытеснение внешнего магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние.  Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. В поверхностном слое сверхпроводника действуют незатухающие электрические токи, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его [6].

Однако не у всех сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейснера. Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный – сверхпроводниками второго рода. Для сверхпроводников второго рода магнитное поле в интервале значений Hc₁ –  Hc₂ проникает и действует в виде вихрей Абрикосова. Однако стоит отметить, что в низких магнитных полях (ниже значения Hc и Hc₁) полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников. Отсутствие внешнего магнитного поля в объеме сверхпроводника означает, что электрический ток протекает только в поверхностном слое сверхпроводника [6].

5. Квантовая левитация.

Если взять сверхпроводник (соответственно предварительно охлажденный), а потом поднести к нему мощный магнит, то такой сверхпроводник образует свое собственное магнитное поле, схожее по силе с полем магнита. В результате магнитные поля сверхпроводника и магнита выталкивают друг друга и магнит спокойно левитирует – парит над сверхпроводником. Данный эффект также называют эффектом Мейснера.

И соответственно наоборот, если поместить сверхпроводник над магнитом, то сверхпроводник благодаря действию эффекта Мейснера также будет парить – левитировать над магнитом.

Магнитное поле буквально “хватает” сверхпроводник и цепко “держит” его в любом положении, в котором бы он не находился изначально: над или под магнитом. В полях, магнитная индукция которых составляет 0,001 Тл, заметно смещение магнита или сверхпроводника вверх на расстояние порядка одного сантиметра. При увеличении магнитного поля вплоть до критического магнит или сверхпроводник поднимается всё выше.

Можно не только не только просто удержать сверхпроводник или магнит в нужном положении в воздухе, но и заставить сверхпроводник двигаться над и даже под магнитными “рельсами” с высокой скоростью. При этом сверхпроводник двигается только в том направлении, в каком магнитное поле магнита остаётся неизменным. Явление это ещё получило название «квантовый замок».

Как только температура сверхпроводника становится выше критической, то он перестаёт парить.

Обычно, в опыте по квантовой левитации используется сверхпроводник 2-го рода. Это обуславливается тем, что своей критической температуры он достигает при помощи более дешёвого жидкого азота (имеющего температуру ниже -195,795 °C), а не более дорогого жидкого гелия (имеющего температуру ниже -268,928 °C) [6].

6. Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств – удельной теплоемкости.

Под удельной теплоемкостью понимается физическая величина, которая численно равна количеству теплоты, необходимое для нагревания вещества массой 1 кг на 1 К. Удельная теплоемкость сверхпроводника резко (скачкообразно) возрастает вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и довольно быстро (скачкообразно) уменьшается с понижением температуры. Иными словами, в области перехода для повышения температуры вещества в сверхпроводящем состоянии требуется больше теплоты, чем в нормальном состоянии, а при очень низких температурах – наоборот [6].

7. Критический ток.

Это значение максимального постоянного тока, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. При превышении этого значения сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости. Как и критическое магнитное поле, критический ток обратно пропорционально зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении [6].

Применение выcокотемпературных сверхпроводников:

1)Сверхпроводники используют для получения магнитных полей с большой индукцией. Для этого используют сверхпроводниковые сплавы с большой критической индуктивностью. Из них изготавливают проволоку для обмоток трансформаторов. В подобных обмотках создается ток высокой плотности, значит, электромагнит имеет магнитное поле большой силы. Индукция получаемых полей достигает 10Тл. В обычных обмотках из меди при магнитном поле 10 Тл выделяется огромное количество тепла, тогда как в сверхпроводниках мощность не рассеивается.

Рис.1. Проволока для обмотки трансформатора.

2)Применение сверхпроводников весьма разнообразно. С их помощью можно получить большие токи, используя источник, который имеет небольшое напряжение. При этом практически отсутствуют потери на джоулево тепло, что позволяет использовать сверхпроводник в измерительных приборах. Так, чувствительность гальванометра, имеющего рамку из сверхпроводника, очень велика.

3)Сильноточные технологии, которые предназначаются для устройств больших мощностей, применяются в электроэнергетике, промышленности и на транспорте. В этих отраслях сверхпроводниковые технологии ведут к созданию электрооборудования в 2−3 раза меньшей массы, более экологичного, более надежного с большим сроком эксплуатации. Предполагается, что в электроэнергетике будет происходить постепенная замена традиционного резисторного оборудования на более дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование, которое существенно выше по надежности и эффективности.

Рис.2. Однофазный ВТСП кабель установленный в Шеньян, Китай.

4)Высокотемпературные сверхпроводники можно использовать при изготовлении силовых кабелей, электрических машин, индуктивных накопителей энергии и энергетике сельского хозяйства.

Рис.3. Схема ветрогенератора мощностью 10 МВт.

Вывод

Исследование выcокотемпературных сверхпроводников имеет огромное значение для науки на сегодняшний день. Было создано множество объектов на основе сверхпроводимости, например: поезд на магнитной подушке и линии электропередач без сопротивления. Но тем не менее я уверен, что еще множество тайн и вопросов скрыто в этой теме.

Список литературы

Мнеян М.Г. «Сверхпроводники в современном мире». Москва «Просвещение» 1991 г.

Шмидт В.В. «Введение в физику сверхпроводников». Москва «Наука» 1982г.

Гинзбург В.Л. Андрюшин Е.А. «Сверхпроводимость». Москва «Педагогика» 1990 г.

Гинзбург В.Л. «Сверхпроводимость: вчера, сегодня, завтра». Успехи физических наук . № 2000 г.

Википедия – свободная энциклопедия.

[https://втораяиндустриализация.рф/sverhprovodniki/].

Код для цитирования: Скопировать