XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Сверхпроводники — это материалы, которые при определённых условиях способны проводить электрический ток без какого-либо сопротивления.

Это означает, что электроны в сверхпроводнике могут двигаться без потерь энергии, что делает их очень эффективными для передачи электрической энергии.

Основное отличие сверхпроводников от обычных проводников заключается в том, что сверхпроводимость проявляется только при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 градусов по Цельсию).

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающимся в полном вытеснении магнитного поля из объёма сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

История открытия сверхпроводимости

История открытия сверхпроводимости началась в начале 20 века, когда голландский физик Хейке Камерлингх-Оннес проводил исследования низкотемпературных свойств ртути.

В 1911 году он обнаружил, что при охлаждении ртути до очень низких температур, близких к абсолютному нулю, её электрическое сопротивление исчезает полностью. Это означало, что ртуть становится сверхпроводником.

С тех пор было открыто множество различных сверхпроводников, включая металлы, сплавы и даже некоторые полупроводники.

Исследования в области сверхпроводимости продолжаются до сегодняшнего дня, и сверхпроводники нашли широкое применение в различных областях, включая энергетику, медицину и науку

Теория Бардина — Купера — Шриффера (теория БКШ) — микроскопическая теория сверхпроводников, являющаяся на сегодняшний день доминирующей.

В её основе лежит концепция куперовской пары — коррелированного состояния электронов с противоположными спинами и импульсами.

В 1972 году создатели теории были удостоены Нобелевской премии по физике.

Также теория была построена с использованием так называемых преобразований Боголюбова, показавших, что сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа.[1]

Основные характеристики сверхпроводников

Критическая температура (часто обозначаемая как Tc) — одна из определяющих характеристик сверхпроводящего материала.

Эта температура обозначает порог, ниже которого материал проявляет сверхпроводящее поведение.

Различные материалы имеют разные критические температуры:

для некоторых из них требуются чрезвычайно низкие температуры, близкие к абсолютному нулю (0 кельвинов или −273,15 °C);

другие могут стать сверхпроводящими при относительно более высоких температурах.

Критическая плотность тока для сверхпроводников — это величина, выше которой сверхпроводимость разрушается.

Она определяется тем, что суммарный импульс сверхпроводящих электронов не должен превышать некоторого определённого значения.

Например, если через цилиндрическую проволоку радиуса «а» в отсутствии внешнего поля пропускать ток I, на её поверхности возникнет магнитное поле напряжённостью HI, тогда ток I = 2 π а HI, а критический ток Iкр = 2 π а Hкр.

Эффект Мейсснера — это явление, при котором магнитное поле полностью исключается из внутренней области сверхпроводника.

Когда сверхпроводник охлаждается до критической температуры и ниже, он становится суперпроводящим, и магнитные линии поля смещаются на внешнюю поверхность материала.

Это приводит к тому, что сверхпроводник отталкивает любое магнитное поле, включая намагниченные предметы или магниты.

Эффект Мейсснера имеет важное практическое применение: он позволяет создавать сильные магнитные поля без потерь энергии.[2]

Применение сверхпроводников в современных технологиях

Сверхпроводники находят практическое применение в различных областях, например:

1) В медицинской диагностике — в технологии магнитно-резонансной томографии, где используются мощные сверхпроводящие электромагниты для получения изображений внутренних тканей человеческого организма с высоким разрешением.

2) В передаче электроэнергии — отсутствие электрического сопротивления у сверхпроводников делает процесс передачи электрической энергии более экономичным.

3) В физике — сверхпроводники позволяют создавать детекторы фотонов, ячейки памяти и другие элементы.

4) В создании сверхбыстрых квантовых компьютеров — комбинация сверхпроводников с полупроводниками позволяет создавать новое поколение вычислительной техники.

Сверхпроводники находят применение во многих сферах жизни, например:

1) В силовых применениях — позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования.

2) В микротехнике — используются в микроволновых устройствах, сверхчувствительных системах обнаружения магнитных полей, цифровой электронике, искусственных биологических системах.

3) В макротехнике — применяются в силовых кабелях, электрических системах и сетях, генераторах и двигателях.

Также сверхпроводники могут использоваться для экранирования электромагнитного излучения. Например, в микроволновых устройствах и при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве.

Сверхпроводящие магниты — это электромагниты, в которых ток, создающий магнитное поле, протекает в основном по сверхпроводнику.

Благодаря этому омические потери в обмотке сверхпроводящего магнита весьма малы.

Сверхпроводники второго рода можно применять на практике как важный элемент в конструкции магнитов для создания постоянных сильных полей.[3]

Примеры применения сверхпроводящих магнитов:

1) в ЯМР-томографах и в ЯМР-спектрометрах с сильным полем;

2) в поездах на магнитной подушке;

3) в ITER (сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием);

4) в сверхмощных турбогенераторах КГТ-20 и КГТ-1000 на основе сверхпроводимости;

5) при разработке сверхпроводящих электрических машин.

Теоретические представления о сверхпроводниках

БКШ-теория сверхпроводимости была разработана в 1957 году Бардиным, Купером и Шриффером.

Основная идея теории заключается в том, что между свободными электронами проводимости материала, кроме обычных сил отталкивания (кулоновских), существуют силы притяжения, обусловленные поляризацией кристалла, вызванной движущимся электроном.

Свободный электрон, двигаясь в кристалле, притягивает положительно заряженные ионы и создаёт в итоге избыточный положительный заряд, который притягивает другие электроны. Это приводит к появлению куперовских пар.

При повышении температуры положительно заряженная область размывается и уменьшается сила притяжения. Поэтому сверхпроводимость проявляется у материалов, имеющих сильное притяжение электронов и ядер атомов.

Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера.

Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются куперовские пары электронов.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства:

1) сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть);

2) II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов).[3]

Заключение

Сверхпроводимость имеет большое значение в современном мире, поскольку позволяет:

1) радикально снизить потери электроэнергии при выработке и передаче;

2) уменьшить размеры генерирующего оборудования и двигателей;

3) создать новые электронные приборы;

4) разработать сверхмощные электромагниты для научных исследований и промышленности.

Также применение сверхпроводимости на электростанциях и в системах передачи и распределения энергии даёт возможность:

1) снизить количество сжигаемого топлива, не уменьшив выработку электроэнергии;

2) уменьшить процент вредных выбросов в атмосферу.[1]

Список источников:

1. Недоруб Н.А., Эдельман В.С. Физика сверхпроводников, 2023г.

2. Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. Сверхпроводимость, 2006г.

3. Фрейман В.А Физика сверхпроводников и мезоскопические явления, 2002г.

Код для цитирования: Скопировать