Ваше сообщение отправлено. Мы Вам перезвоним!
Вторая индустриализация России

Перезвоните мне!

Закрыть

Сверхпроводники

  • Array

Сверхпроводники.

 

Ознакомиться с концепциейНовинки технологийФорумТаблица Менделеева

 

Сверхпроводники – это материалы, электрическое сопротивление которых при достижении температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры), становится равным абсолютному нулю. В таких случаях говорят, что материал приобретает сверхпроводимость, сверхпроводящие свойства или переходит в сверхпроводящее состояние.

 

Описание. Материалы сверхпроводников

Открытие сверхпроводников

Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники

Классификация, типы и виды сверхпроводников

Свойства сверхпроводников, эффекты

Эффект Мейснера, квантовая левитация

Сверхпроводники 1 рода и сверхпроводники 2 рода, металлы и прочие материалы, критическая температура и критическое магнитное поле

Применение и использование сверхпроводников

 

Описание. Материалы сверхпроводников.

Сверхпроводники – это материалы, электрическое сопротивление которых при достижении температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры), становится равным абсолютному нулю. В таких случаях говорят, что материал приобретает сверхпроводимость, сверхпроводящие свойства или переходит в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводниками являются совершенно различные материалы, которые в обычном состоянии даже не являются проводниками. Помимо металлов и их сплавов, к сверхпроводникам относятся некоторые полупроводники, керамические материалы, сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и иные вещества, например, сероводород.

Сверхпроводник переходит  в сверхпроводящее состояние не постепенно, а скачкообразно – при достижении температуры ниже критической. Выше этой температуры металл, сплав или иной материал находится в нормальном состоянии (проводником, полупроводником  или диэлектриком), а ниже ее – сверхпроводником. У некоторых веществ сверхпроводящие свойства возникают при определенных внешних условиях, например, по достижении определенного значения давления.

Как правило, критическая температура крайне низка, что ограничивает использование сверхпроводников. Однако в последнее время (в 2017 г.) были открыты сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при комнатной температуре.

 

Открытие сверхпроводников:

Первый сверхпроводник был открыт в 1911 г. голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннес у ртути. Он проводил опыты по проверке электрических свойств данного металла при понижении температуры. В то время предполагалось, что со снижением температуры постепенно понижается и электрическое сопротивление проводника, а при слишком низких температурах якобы электроны практически останавливаются и металл совсем перестает проводить ток.

Однако в ходе эксперимента был получен обратный эффект. Вначале – при понижении температуры электрическое сопротивление ртути плавно падало, а затем после преодоления температуры в 4,15 кельвина – совсем исчезло. Этот эффект был назван сверхпроводимостью.

Сверхпроводимость_2

В следующем году были обнаружены ещё два металла-сверхпроводника: свинец и олово.

Впоследствии были открыты и другие сверхпроводники.

 

Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники:

В зависимости от значения критической температуры все сверхпроводники делятся на низкотемпературные и высокотемпературные. За точку отсчета принята температура 77 K (-196 оС), которая приблизительна равна температуре кипения жидкого азота 77,4 K (-95,75 °C).

Деление это имеет явно практическое значение. Так, для охлаждения материалов используют жидкие газы. Чтобы охладить материал ниже 77 К (-196 оС) применяют жидкий гелий. Температура кипения жидкого гелия составляет 4,222 K (-268,928 °C). Для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура у которых больше 77 К, применяют жидкий азот, который легче и дешевле в получении.

 

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.

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.

По критической температуре сверхпроводники делятся на низкотемпературные сверхпроводники (Тк < 77 К) и высокотемпературные сверхпроводники  (Тк > 77 К).

 

Свойства сверхпроводников, эффекты:

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.

2. Критическая температура сверхпроводников.

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

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.

5. 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. Внутри сверхпроводника действуют незатухающие токи, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

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. Квантовая левитация.

Если взять сверхпроводник второго рода (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.

Сверхпроводник_3

Магнитное поле буквально «хватает» сверхпроводник и цепко «держит» его в любом положении, в котором бы он не находился изначально: над или под магнитом. Поэтому можно 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.

7. 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.

8. 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.

 

Сверхпроводники 1 рода и сверхпроводники 2 рода, металлы и прочие материалы, критическая температура и критическое магнитное поле:

Материалы Критическая температура, К Критические поля (при 0 К), Гс (Э*)
Сверхпроводники 1-го рода   Hc
Родий 0,000325 0,049
Вольфрам 0,012 1*
Гафний 0,37 —**
Титан 0,39 60
Рутений 0,47 46*
Кадмий 0,52 28
Цирконий 0,55 65*
Осмий 0,71 46,6*
Уран 0,8 —**
Цинк 0,85 53
Родий 0,9 —**
Галлий 1,08 59
Алюминий 1,2 100*
Рений 1,7 188*
Сплав Аu-Bi 1,84 —**
Таллий 2,37 180
Индий 3,41 280
Олово 3,72 305
Ртуть 4,15 411
Тантал 4,5 830*
Ванадий 4,89 1340*
Свинец 7,19 803
Технеций 11,2 —**
H2S (сероводород) 203 при давлении 150 ГПа 720 000
Сверхпроводники 2-го рода   Hc1 Hc2
Ниобий 9,25 1735 4040
Pb1Mo5,1S6 14,4 600 000
Nb3Sn 18,1 220 000
(Nb3Al)4Ge 20 —** —**
Nb3Ge 23,2 400 000
MgB2 39 —** —**
Yb0,9Ca0,1Ba1,8Sr0,2Cu4O8 86 —** —**
YBa2Cu3O7 93 1000*** 1 000 000***
Bi1,6Pb0,6Sr2Ca2Sb0,1Cu3 115 —** —**
HgBa2Ca2Cu3O8+x 135 —** —**

Примечание:

* для материалов, помеченных * значение критического поля указано в Э (эрстед), для остальных в Гс (гаусс).

** — нет данных.

*** Экстраполировано к абсолютному нулю.

 

© Фото //www.pexels.com, //pixabay.com,

//www.leadingedgeonly.com/innovation/view/superconducting-tapes

 



Ознакомиться с концепциейНовинки технологийФорумТаблица Менделеева



карта сайта

свойства сопротивление левитация использование применение сверхпроводников на основе стекловолокна
металлы магнитные сверхпроводники используют для создания которые 1 2 первого второго рода физика стекловолокно эффект суть электрического тока магнит кратко
русский сверхпроводник материал реферат купить примеры в магнитном поле
ток в сверхпроводнике презентация по составу
кольцо из сверхпроводника

 

comments powered by HyperComments