XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Сверхпроводники- материалы, электрическое сопротивление которых при понижении температуры до некоторой критической температуры (T_c) становится равным нулю.  За исключением Cu, Ag, Au, Pt, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов, большая часть остальных металлических элементов является сверхпроводниками. Элементы Si, Ge, Bi становятся сверхпроводниками при охлаждении под давлением. В сверхпроводящее состояние может переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Следует отметить, что существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются сверхпроводниками. Значения T_c почти для всех известных сверхпроводников лежат в диапазоне температур существования жидкого водорода и жидкого гелия (температура кипения водорода Т_кип = 20,4 К). Первым, кто наблюдал такое явление был голландский физик Камерлинг-Оннес, в 1911 году. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,1 К резко падает до нуля.

Свойства сверхпроводников

Нулевое сопротивление: одним из главных свойств сверхпроводников является их способность пропускать электрический ток без каких-либо потерь. Это означает, что в сверхпроводнике сопротивление электрическому току равно нулю, при понижении его температуры до определённой T_c.Таблица T_c  для различного рода сверхпроводников и соответствующим им химическим элементам и соединениям представлена ниже:

Таблица №1 «Таблица сверхпроводников»:

	Вещество	Критическая температура Tc , К
Сверхпроводники 1 рода	Свинец	7,2
	Тантал	4,5
	Олово	3,7
	Алюминий	1,2
	Цинк	0,88
	Вольфрам	0,01
Сверхпроводники 2 рода	Ниобий	9,25
	Сплав 65 БТ(Nb-Ti-Zr)	9,7
	Сплав NiTi	9,8
	V3Ga	14,5
	Nb3Sn	18,0
	(Nb3AI)Nb3Ge	20,0
	Nb3Ge	23
	GeTe*	0,17
	SrTiO3	0,2-0,4
	H2S	203

Эффект Мейсcнера: ещё одним важным свойством сверхпроводников является эффект Мейсснера. При понижении температуры сверхпроводник полностью выталкивает магнитное поле из своего объема. Это означает, что магнитное поле не может проникнуть внутрь сверхпроводника, а его линии силы обтекают его стороны. Этот эффект позволяет создавать сильные магнитные поля внутри.

Рисунок №1 «Эффект Мейсснера»:

Критическое поле: у сверхпроводников есть так называемое критическое поле, при превышении которого сверхпроводящее состояние разрушается и материал переходит в нормальное состояние. Критическое поле зависит от температуры и свойств материала. Это свойство ограничивает применение сверхпроводников в высоких магнитных полях, так как при достижении критического поля сверхпроводимость прекращается.

Рисунок № 2 «График критического поля»:

Эффект Мейсснера-Очсенфельда: у сверхпроводников есть так называемое критическое поле, при превышении которого сверхпроводящее состояние разрушается и материал переходит в нормальное состояние. Критическое поле зависит от температуры и свойств материала. Это свойство ограничивает применение сверхпроводников в высоких магнитных полях, так как при достижении критического поля сверхпроводимость прекращается.

Рисунок №3 «Эффект Мейсснера-Очсенфельда»:

Классификация сверхпроводников

Сверхпроводники можно классифицировать по различным признакам, таким как температура перехода в сверхпроводящее состояние, тип сверхпроводимости и химический составу.

По температуре перехода:

1)Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) – это материалы, которые обладают сверхпроводимостью при температурах выше критической температуры жидкого азота (-196°C). Примерами ВТСП являются оксиды меди и бария, такие как YBCO (итриево-бариевая медьсодержащая кислородная сверхпроводящая керамика).

2)Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) – это материалы, которые обладают сверхпроводимостью только при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273°C). Примерами НТСП являются сверхпроводники на основе свинца и ниобия.

По типу сверхпроводимости:

1) I рода – это сверхпроводники, которые обладают одним критическим полем, при превышении которого сверхпроводимость исчезает. Такие сверхпроводники обычно имеют низкую критическую температуру и низкую критическую плотность тока. Примером I рода является сверхпроводник на основе свинца.

2)II рода – это сверхпроводники, которые обладают двумя критическими полями. При превышении первого критического поля сверхпроводимость исчезает только в некоторых областях материала, но остается в других областях. При превышении второго критического поля сверхпроводимость полностью исчезает. Такие сверхпроводники обычно имеют более высокую критическую температуру и критическую плотность тока. Примерами II рода являются оксиды меди и бария, такие как YBCO.

По химическому составу: Сверхпроводники могут быть различных химических соединений, таких как оксиды, нитриды, карбиды и другие. Конкретный химический состав сверхпроводника определяет его свойства и возможности применения.

Применение

Магнитные резонансные томографы (МРТ)

Сверхпроводники используются в создании сильных магнитных полей, необходимых для работы МРТ-сканеров. Благодаря сверхпроводящим магнитам, МРТ-сканеры обеспечивают высокую четкость и детализацию изображений, что позволяет врачам точно диагностировать различные заболевания.

Энергетика

Сверхпроводники могут использоваться в энергетических системах для передачи электрической энергии без потерь. Это позволяет снизить энергетические потери и повысить эффективность системы. Кроме того, сверхпроводники могут использоваться в создании супермощных магнитов для генерации и хранения энергии.

Транспорт

Сверхпроводники могут быть использованы в магнитных подвесах для создания сверхскоростных поездов. Благодаря сверхпроводящим магнитам, поезда могут двигаться с высокой скоростью и без трения, что позволяет достичь очень высокой эффективности и скорости.

Научные исследования

Сверхпроводники играют важную роль в научных исследованиях, особенно в области физики и материаловедения. Они используются для создания сильных магнитных полей, изучения сверхпроводимости и разработки новых материалов.

Квантовые вычисления

Сверхпроводники могут быть использованы в квантовых компьютерах для создания кубитов – квантовых аналогов битов. Благодаря свойству сверхпроводимости, кубиты могут быть стабильными и иметь долгое время когерентности, что является важным условием для реализации квантовых вычислений.

Это лишь некоторые примеры применения сверхпроводников в технологии. Благодаря своим уникальным свойствам, сверхпроводники имеют большой потенциал для развития и применения в различных областях.

Литература:

[1]. https://goo.su/qSbwKl - Дата обращения: 2.12.2023

[2]. https://goo.su/wXvkDA - Дата обращения: 2.12.2023

[3]. https://trends.rbc.ru/trends/innovation/61f3ff469a79478db68527b2 - Дата обращения: 2.12.2023

[4]. https://goo.su/3dkiBB - Дата обращения: 2.12.2023

[5]. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/100/164.htm- Дата обращения: 2.12.2023

[6]. http://ftemk.mpei.ac.ru/foetm/files/foetm_book02/foetm_text210.htm - Дата обращения: 2.12.2023

[7].https://electricalschool.info/electrojavlenija/2189-effekt-meysnera-i-ego-ispolzovanie.html - Дата обращения: 2.12.2023

[8]. https://goo.su/KpiVP - Дата обращения: 2.12.2023

Код для цитирования: Скопировать