Анализирани са кратък преглед на теориите за свръхпроводимостта и проблемите на високотемпературната свръхпроводимост. Училищна енциклопедия Обяснение на свръхпроводимостта
2. Каква температура се нарича критична?
Критичната температура е температурата, при която проводниците преминават в свръхпроводящо състояние.3. Какъв ефект се нарича изотопен? Защо изотопният ефект е ключът към обяснението на свръхпроводимостта?
Изотопният ефект е, че квадратът на температурата е обратно пропорционален на масата на йоните в кристалната решетка. Това означава, че при критична температура структурата на кристалната решетка на свръхпроводника има голямо влияние върху движението на електроните - получените сили на привличане между електроните надвишават силите на отблъскване на Кулон.4. Как естеството на движението на електроните в свръхпроводник се различава от тяхното движение в проводник? Как може механично да се моделира движението на двойки Купър в свръхпроводник?
В проводника електроните се движат независимо един от друг, но в свръхпроводника (при критична температура) движенията им са взаимосвързани. Ако сравним движението на електрони в проводник с поток от топки, търкалящи се надолу по наклонена равнина и блъскащи се в щифтове, тогава движението на електрони в свръхпроводник може да бъде представено като движение на наклонена равнина, но топките са свързани в двойки по пружини.5. Защо свръхпроводимостта изчезва при температури над критичните? Какво обяснява обещаващото развитие на високотемпературните свръхпроводници?
При температури над критичната стойност електроните отново започват да се движат хаотично и двойките на Купър се разрушават. Перспективите за развитие на високотемпературни свръхпроводници ще намалят загубите на енергия при предаване на големи разстояния и ще увеличат скоростта на компютрите.Свръхпроводимостта, като явление, възниква в резултат на образуването на двойки електрони на Купър, които се държат като една частица.
Свръхпроводимостта е нещо странно и до известна степен дори неинтуитивно. Когато електрически ток протича през обикновен проводник, тогава в резултат на наличието на електрическо съпротивление върху проводника токът извършва известна работа, насочена към преодоляване на това съпротивление от атомите, в резултат на което се отделя топлина. Освен това всеки сблъсък на електрон - носител на ток - с атом забавя електрона, а самата атомна спирачка се нагрява - затова спиралата на електрическата печка става толкова червена и гореща. Работата е там, че спиралата има електрически съпротиваи в резултат на това, когато през него протича електрически ток, той освобождава топлинна енергия ( см.закон на Ом).
През 1911 г. холандският физик експериментатор Хайке Камерлинг Оннес (1853-1926) прави удивително откритие. Чрез потапяне на жицата в течен хелий, чиято температура е не повече от 4 ° над абсолютната нула (което, припомнете си, е -273 ° C по скалата на Целзий или -460 ° F по скалата на Фаренхайт), той установи, че при свръхниски температури електрическото съпротивление пада почти до нула. Защо това се случва, той всъщност дори не можеше да предположи, но фактът се оказа очевиден. При свръхниски температури електроните практически не изпитват съпротивление от атомите на металната кристална решетка и осигуряват свръхпроводимост.
Но защо се случва това? Това остава тайна до 1957 г., когато още трима физици експериментатори - Джон Бардийн (1908-1991), Леон Купър (р. 1930 г.) и Джон Робърт Шрифер (р. 1931 г.) предлагат обяснение за този ефект. Теорията на свръхпроводимостта сега се нарича "теория на BCS" в тяхна чест - след първите букви от имената на тези физици.
И същността му се състои в това, че при свръхниски температури атомите на тежките метали практически не вибрират поради слабото си топлинно движение и могат да се считат за практически неподвижни. Тъй като всеки метал има електропроводимите свойства, присъщи на метала, само защото освобождава електроните на външния слой в „свободно плаване“ ( см.Химически връзки), имаме това, което имаме: йонизирани, положително заредени ядра на кристалната решетка и отрицателно заредени електрони, свободно „плаващи“ между тях. И сега проводникът попада под влиянието на електрическата потенциална разлика. Електроните - волю-неволю - се движат, бидейки свободни, между положително заредени ядра. Всеки път обаче те слабо взаимодействат с ядрата (и помежду си), но веднага „избягат“. Въпреки това, в същото време, когато електроните се „плъзгат“ между две положително заредени ядра, те сякаш ги „разсейват“ към себе си. В резултат на това, след като електрон се „плъзне“ между две ядра, те се приближават за кратко време. Тогава двете ядра, разбира се, плавно се раздалечават, но работата е свършена - възникнал е положителен потенциал и към него се привличат все повече и повече отрицателно заредени електрони. Най-важното тук е да разберете: поради факта, че един електрон се „плъзга“ между атомите, по този начин създава благоприятни енергийни условия за напредъка на друг електрон. В резултат на това електроните се движат вътре в атомно-кристалната структура по двойки - те просто не могат да направят друго, тъй като това е енергийно неизгодно за тях. За да разберем по-добре този ефект, можем да използваме аналогия от света на спорта. Велосипедистите на пистата често използват тактика на „начертаване“ (а именно „висене на опашката“ на противник) и по този начин намаляват съпротивлението на въздуха. Електроните правят същото, образувайки се Купър двойки.
Тук е важно да се разбере, че при ултраниски температури всичкоелектроните образуват двойки Купър. Сега си представете, че всяка такава двойка е сноп, подобен на юфка, във всеки край на който има заряден електрон. Сега си представете, че пред вас има цяла купа с такива „юфка“: всичко се състои от преплетени двойки Купър. С други думи, електроните в свръхпроводящ метал взаимодействат един с друг по двойки и цялата им енергия се изразходва за това. Съответно на електроните просто не им остава енергия за взаимодействие с ядрата на атомите в кристалната решетка. В крайна сметка се стига до точката, в която електроните се забавят толкова много, че няма какво да губят (енергийно), а заобикалящите ги ядра се „охлаждат“ толкова много, че вече не могат да „забавят“ свободните електрони. В резултат на това електроните започват да се движат между металните атоми, като практически не губят енергия в резултат на сблъсъци с атоми, а електрическото съпротивление на свръхпроводника отива до нула. За тяхното откритие и обяснение на ефекта на свръхпроводимостта Бардийн, Купър и Шрифър получават Нобелова награда през 1972 г.
Оттогава минаха много години и свръхпроводимостта се превърна от уникален и любопитен за лабораториите феномен в общоприет факт и източник на многомилиардни приходи за предприятията в електронната индустрия. Въпросът е, че всеки електрически ток възбужда магнитно поле около себе си ( см.Законът на Фарадей за електромагнитната индукция). Тъй като свръхпроводниците провеждат ток за дълги периоди от време без практически никакви загуби, когато се поддържат при ултраниски температури, те са идеален материал за създаване на електромагнити. И ако някога сте се подлагали на медицинска диагностична процедура, наречена електронна томография, която се извършва на скенер, използващ принципа на ядрено-магнитния резонанс (ЯМР), тогава вие, може би без да знаете, сте били само на сантиметри от свръхпроводящите електромагнити. Именно те създават полето, което позволява на лекарите да получат високопрецизни изображения на напречно сечение на човешка телесна тъкан, без да е необходимо да прибягват до скалпел.
Съвременните свръхпроводници запазват уникалните си свойства при нагряване до температури от около 20K (двадесет градуса над абсолютната нула). Дълго време това се смяташе за температурна граница на свръхпроводимостта. Въпреки това през 1986 г. служителите на швейцарската лаборатория на компютърната компания IBM, Георг Беднорц (р. 1950 г.) и Александър Мюлер (р. 1927 г.) откриват сплав, чиито свръхпроводящи свойства се поддържат при 30K. Днес науката познава материали, които остават свръхпроводници дори при 160K (т.е. малко под -100°C). В същото време, общоприетата теория, която би обяснила този клас високотемпературна свръхпроводимост, все още не е създадена, но е абсолютно ясно, че е невъзможно да се обясни в рамките на теорията на BCS. Високотемпературните свръхпроводници днес не са намерили практическо приложение поради изключително високата си цена и крехкост, но разработките в тази посока продължават.
Джон Бардийн, 1908-91
Американски физик, един от малкото двукратни носители на Нобелова награда. Роден в Мадисън, Уисконсин в семейството на професор патолог. Получава образование в университетите Медисън и Принстън. В паузата между обучението си през първата и втората година той работи няколко години в петролната компания Gulf Oil като сеизмолог-изследовател на нефтени находища. По време на Втората световна война той служи в Навигационната лаборатория на ВМС на САЩ във Вашингтон, а след войната работи в радиолабораторията на Bell Telephone Company, където съоткрива транзистора, за който получава първата си Нобелова награда за физика през 1956 г. След това Бардийн става професор в Университета на Илинойс, където започва да развива теорията на BCS, за която заедно със своите съавтори получава Нобелова награда за втори път през 1972 г.
(77 K), много по-евтина криогенна течност.
Енциклопедичен YouTube
1 / 5
✪ Урок 296. Температурна зависимост на съпротивлението на металите. Свръхпроводимост
✪ Свръхпроводимост. Електрически ток в различни среди. Образователен филм
✪ СВЪРХПРОВОДНИК И КВАНТОВА ЛЕВИТАЦИЯ!
✪ Свръхпроводимост (разказана от физика Борис Фейн)
✪ Електропроводимост на различни вещества | Физика 10 клас #57 | Информационен урок
субтитри
История на откритието
Основата за откриването на явлението свръхпроводимост беше разработването на технологии за охлаждане на материали до ултраниски температури. През 1877 г. френският инженер Луи Кайет и швейцарският физик Раул Пикте независимо един от друг охлаждат кислорода до течно състояние. През 1883 г. Зигмунт Врублевски и Карол Олшевски извършват втечняване на азот. През 1898 г. Джеймс Дюар успява да получи течен водород.
През 1893 г. холандският физик Хайке Камерлинг Оннес започва да изучава проблема с ултраниските температури. Той успява да създаде най-добрата криогенна лаборатория в света, в която на 10 юли 1908 г. получава течен хелий. По-късно той успя да доведе температурата му до 1 Келвин. Kamerlingh Onnes използва течен хелий за изследване на свойствата на металите, по-специално за измерване на зависимостта на тяхното електрическо съпротивление от температурата. Според класическите теории, съществували по това време, съпротивлението трябва да пада плавно с намаляване на температурата, но също така имаше мнение, че при твърде ниски температури електроните практически спират и металът напълно спира да провежда ток. Експериментите, проведени от Kamerlingh Onnes с неговите помощници Cornelis Dorsman и Gilles Holst, първоначално потвърдиха заключението за плавно намаляване на съпротивлението. Въпреки това, на 8 април 1911 г. той неочаквано открива, че при 3 Келвина (около −270 °C) електрическото съпротивление е практически нула. Следващият експеримент, проведен на 11 май, показа, че рязък спад на съпротивлението до нула настъпва при температура от около 4,2 К (по-късно по-точни измервания показаха, че тази температура е 4,15 К). Този ефект е напълно неочакван и не може да се обясни със съществуващите тогава теории.
Нулевото съпротивление не е единствената отличителна черта на свръхпроводниците. Една от основните разлики между свръхпроводниците и идеалните проводници е ефектът на Майснер, открит от Валтер Майснер и Робърт Оксенфелд през 1933 г.
По-късно беше открито, че свръхпроводниците се разделят на две големи групи: свръхпроводници от тип I (които по-специално включват живак) и тип II (които обикновено са сплави от различни метали). Работата на Л. В. Шубников през 30-те години на миналия век и А. А. Абрикосов през 50-те години на миналия век изигра значителна роля в откриването на свръхпроводимост от втори тип.
От голямо значение за практическите приложения на електромагнитите с висока мощност беше откритието през 50-те години на миналия век на свръхпроводници, способни да издържат на силни магнитни полета и да предават висока плътност на тока. Така през 1960 г. под ръководството на J. Künzler е открит материалът Nb 3 Sn, проводник от който е способен да пропуска ток с плътност до 100 kA / cm² при температура 4,2 K, намирайки се в магнитно поле от 8,8 T.
През 2015 г. беше поставен нов рекорд за температурата, при която се постига свръхпроводимост. За H 2 S (сероводород) при налягане от 100 GPa беше записан свръхпроводящ преход при температура от 203 K (-70 ° C).
Класификация
Има няколко критерия за класифициране на свръхпроводниците. Ето основните от тях:
Свойства на свръхпроводниците
Нулево електрическо съпротивление
За постоянен електрически ток електрическото съпротивление на свръхпроводника е нула. Това беше демонстрирано в експеримент, при който в затворен свръхпроводник се индуцира електрически ток, който тече в него без затихване в продължение на 2,5 години (експериментът беше прекъснат от стачка на работници, доставящи криогенни течности).
Свръхпроводници във високочестотно поле
Строго погледнато, твърдението, че съпротивлението на свръхпроводниците е нула, е вярно само за постоянен електрически ток. В променливо електрическо поле съпротивлението на свръхпроводника е различно от нула и нараства с увеличаване на честотата на полето. Този ефект, на езика на двуфлуидния модел на свръхпроводника, се обяснява с наличието наред със свръхпроводящата част от електрони и на обикновени електрони, чийто брой обаче е малък. Когато поставите свръхпроводник в постоянно поле, това поле вътре в свръхпроводника става нула, тъй като в противен случай свръхпроводящите електрони биха се ускорили до безкрайност, което е невъзможно. Въпреки това, в случай на променливо поле, полето вътре в свръхпроводника е различно от нула и също ускорява нормалните електрони, с които са свързани както крайното електрическо съпротивление, така и топлинните загуби на Джаул. Този ефект е особено изразен за такива честоти на светлината, за които квантовата енергия h ν (\displaystyle h\nu )достатъчен за прехвърляне на свръхпроводящ електрон към групата на нормалните електрони. Тази честота обикновено се намира в инфрачервената област (около 10 11 Hz), следователно във видимия диапазон свръхпроводниците практически не се различават от обикновените метали.
Фазов преход към свръхпроводящо състояние
Температурният диапазон на преход към свръхпроводящо състояние за чисти проби не надвишава хилядни от Келвин и следователно определена стойност има смисъл T s- температура на преход към свръхпроводящо състояние. Това количество се нарича критична температура на преход. Ширината на преходния интервал зависи от хетерогенността на метала, главно от наличието на примеси и вътрешни напрежения. Текущи известни температури T sварират от 0,0005 K за магнезий (Mg) до 23,2 K за интерметалното съединение на ниобий и германий (Nb 3 Ge, във филм) и 39 K за магнезиев диборид ( 2) за нискотемпературни свръхпроводници ( T sпод 77 K, точката на кипене на течния азот), до около 135 K за високотемпературни свръхпроводници, съдържащи живак.
В момента фазата HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) има най-високата известна стойност на критичната температура - 135 K, а при външно налягане от 350 хиляди атмосфери температурата на прехода се повишава до 164 K, което е само с 19 K по-ниска от минималната температура, регистрирана при естествени условия на земната повърхност. По този начин свръхпроводниците в своето развитие са преминали от метален живак (4,15 K) до високотемпературни свръхпроводници, съдържащи живак (164 K). През 2000 г. беше показано, че лекото флуориране на гореспоменатата живачна керамика позволява да се повиши критичната температура при нормално налягане до 138 K.
Преходът на веществото в свръхпроводящо състояние е придружен от промяна в неговите топлинни свойства. Тази промяна обаче зависи от вида на въпросните свръхпроводници. По този начин, за тип I свръхпроводници в отсъствието на магнитно поле при температурата на преход T cтоплината на преход (абсорбция или освобождаване) отива до нула и следователно претърпява скок в топлинния капацитет, което е характерно за фазов преход от вида ΙΙ. Тази температурна зависимост на топлинния капацитет на електронната подсистема на свръхпроводника показва наличието на енергийна празнина в разпределението на електроните между основното състояние на свръхпроводника и нивото на елементарни възбуждания. Когато преходът от свръхпроводящо състояние към нормално състояние се извършва чрез промяна на приложеното магнитно поле, тогава трябва да се абсорбира топлина (например, ако пробата е термично изолирана, тогава нейната температура намалява). И това съответства на фазов преход от 1-ви порядък. За свръхпроводници тип II преходът от свръхпроводящо към нормално състояние при всякакви условия ще бъде фазов преход от тип II.
Ефект на Майснер
Още по-важно свойство на свръхпроводника от нулевото електрическо съпротивление е така нареченият ефект на Майснер, който се състои в изместването на постоянно магнитно поле от свръхпроводника. От това експериментално наблюдение се заключава, че има постоянни токове вътре в свръхпроводника, които създават вътрешно магнитно поле, което е противоположно на външното приложено магнитно поле и го компенсира.
Изотопен ефект
Изотопен ефектза свръхпроводниците е, че температурите T sса обратно пропорционални на квадратните корени от атомните маси на изотопите на същия свръхпроводящ елемент. В резултат на това моноизотопните препарати се различават донякъде по критични температури от естествената смес и един от друг.
Лондон момент
Въртящият се свръхпроводник генерира магнитно поле, точно подравнено с оста на въртене, полученият магнитен момент се нарича „момент на Лондон“. Той беше използван по-специално в научния спътник Gravity Probe B, където бяха измерени магнитните полета на четири свръхпроводящи жироскопа, за да се определят техните оси на въртене. Тъй като роторите на жироскопите бяха почти идеално гладки сфери, използването на момента на Лондон беше един от малкото начини за определяне на тяхната ос на въртене.
Гравитомагнитният момент на Лондон
Въртящ се и в същото време ускоряващ се, т.е. увеличаващ честотата на оборотите, пръстен от свръхпроводник генерира гравитационно поле. Експерименти, свързани с лондонския гравитомагнитен момент, бяха проведени от Мартин Таймар от австрийската компания ARC Seibersdorf Research и Кловис де Матос от Европейската космическа агенция (ESA) през 2006 г. Експериментаторите за първи път измериха изкуствено създадено по този начин гравитомагнитно поле. Таджмар и де Матос смятат, че този ефект обяснява мистерията на разликата между масата на двойките Купър, измерена преди това с висока точност (това са електрони, които осигуряват проводимост в свръхпроводник) и същата маса, получена на хартия - според изчисленията на квантовата теория .
Изследователите нарекоха експериментално открития гравитационен ефект „гравитомагнитен лондонски момент“ по аналогия с подобен магнитен ефект: появата на магнитно поле по време на въртенето на свръхпроводник, наречено „лондонски момент“.
Полето, предизвикано по този начин, беше 100 милиона пъти по-слабо от гравитационното поле на Земята. И въпреки че този ефект беше предвиден от Общата теория на относителността, тази напрегнатост на полето се оказа с 20 порядъка по-силна от изчислената стойност.
Теоретично обяснение на ефекта на свръхпроводимост
В момента липсва напълно задоволителна микроскопична теория за свръхпроводимостта.
Още на сравнително ранен етап от изследването на свръхпроводимостта, поне след създаването на теорията на Гинзбург-Ландау, стана очевидно, че свръхпроводимостта е следствие от обединяването на макроскопичен брой електрони на проводимост в едно квантово механично състояние. Особеността на електроните, свързани в такъв ансамбъл, е, че те не могат да обменят енергия с решетката на малки порции, по-малки от тяхната енергия на свързване в ансамбъла. Това означава, че когато електроните се движат в кристална решетка, енергията на електроните не се променя и веществото се държи като свръхпроводник с нулево съпротивление. Квантово-механичният анализ показва, че в този случай няма разсейване на електронни вълни от топлинни вибрации на решетката или примеси. А това означава липса на електрическо съпротивление. Такава комбинация от частици е невъзможна в ансамбъл от фермиони. Характерно е за ансамбъл от идентични бозони. Фактът, че електроните в свръхпроводниците се комбинират в бозонови двойки, следва от експерименти, измерващи големината на кванта на магнитния поток, който е „замразен“ в кухи свръхпроводящи цилиндри. Следователно още в средата на 20-ти век основната задача за създаване на теорията за свръхпроводимостта беше разработването на механизъм за електронно сдвояване. Първата теория, претендираща да даде микроскопично обяснение на причините за свръхпроводимостта, е теорията на Бардийн - Купър - Шрифер, създадена от тях през 50-те години на 20 век. Тази теория получава всеобщо признание под името BCS и е удостоена с Нобелова награда през 1972 г. При създаването на теорията си авторите разчитат на изотопния ефект, тоест влиянието на масата на изотопа върху критичната температура на свръхпроводника. Смята се, че неговото съществуване директно показва образуването на свръхпроводящо състояние поради работата на фононния механизъм.
Теорията на BCS остави някои въпроси без отговор. На негова основа се оказа невъзможно да се реши основният проблем - да се обясни защо конкретни свръхпроводници имат една или друга критична температура. В допълнение, по-нататъшни експерименти с изотопни замествания показаха, че поради анхармоничността на нулевите вибрации на йони в металите, има пряк ефект на йонната маса върху междуйонните разстояния в решетката и следователно директно върху енергията на Ферми на металът. Следователно стана ясно, че съществуването на изотопния ефект не е доказателство за фононния механизъм, като единственият възможен, отговорен за сдвояването на електроните и възникването на свръхпроводимост. Недоволството от теорията на BCS в по-късните години доведе до опити за създаване на други модели, като модела на флуктуация на въртене и модела на биполярон. Въпреки това, въпреки че те разглеждат различни механизми за комбиниране на електрони в двойки, тези разработки също не водят до напредък в разбирането на феномена на свръхпроводимостта.
Основният проблем за теорията на BCS е съществуването на , което не може да бъде описано от тази теория.
Приложения на свръхпроводимостта
Значителен напредък е постигнат в получаването на високотемпературна свръхпроводимост. Въз основа на металокерамиката, например състава YBa 2 Cu 3 O x , са получени вещества, за които температурата T cпреходът към свръхпроводящо състояние надвишава 77 K (температура на втечняване на азота). За съжаление, почти всички високотемпературни свръхпроводници не са технологично напреднали (крехки, нямат стабилни свойства и т.н.), в резултат на което свръхпроводниците на базата на ниобиеви сплави все още се използват предимно в технологията.
Феноменът на свръхпроводимостта се използва за създаване на силни магнитни полета (например в циклотрони), тъй като няма топлинни загуби, когато силни токове преминават през свръхпроводника, създавайки силни магнитни полета. Въпреки това, поради факта, че магнитното поле разрушава състоянието на свръхпроводимост, така наречените така наречени магнитни полета се използват за получаване на силни магнитни полета. Свръхпроводници тип II, при които е възможно съвместното съществуване на свръхпроводимост и магнитно поле. В такива свръхпроводници магнитното поле причинява появата на тънки нишки от нормален метал, проникващи в пробата, всяка от които носи квант на магнитния поток (вихри на Абрикосов). Веществото между нишките остава свръхпроводящо. Тъй като няма пълен ефект на Майснер в свръхпроводник тип II, свръхпроводимостта съществува до много по-високи стойности на магнитното поле з ° С 2. Следните свръхпроводници се използват главно в технологиите:
Миниатюрни свръхпроводящи пръстеновидни устройства - SQUIDS, чието действие се основава на връзката между промените в магнитния поток и напрежението, се намират във важни приложения. Те са част от свръхчувствителни магнитометри, които измерват магнитното поле на Земята, а също така се използват в медицината за получаване на магнитограми на различни органи.
Свръхпроводниците се използват и в маглеви.
Феноменът на зависимостта на температурата на преход към свръхпроводящо състояние от големината на магнитното поле се използва в криотрони - контролирани съпротивления.
Вижте също
Бележки
- Откриването на свръхпроводимостта - глава от книгата на Дж. Триг „Физиката на 20-ти век: ключови експерименти“
- Дирк ван Делфт и Петер Кес.
Явлението свръхпроводимост в материалите
Феноменът свръхпроводимост е открит за първи път през 1911 г. от холандски учен. . Оттогава се водят интензивни издирвания за нови свръхпроводящи материали, което би позволило използването на този феномен в конкретни устройства с максимални енергийни и икономически ползи. Холандският учен Г. Камерлинг-Онкес открива явлението свръхпроводимост. Свръхпроводимостта отваря фантастични перспективи за електротехниката, енергетиката и транспорта. В крайна сметка, ако съпротивлението на проводника е нула, тогава през него може да премине произволно голям ток и няма да има абсолютно никакви загуби на топлина. Това е мечта на електроинженерите! Поради нагряването на конвенционалните проводници до 20% от цялото генерирано електричество се губи безвъзвратно, а в електропроводите, изработени от свръхпроводници, загубите ще бъдат незначителни. американски професор Ричард Макфийизчисли, че тънък като ръка свръхпроводящ кабел може да поеме цялата пикова мощност, генерирана от американските електроцентрали. Възможността за получаване супер мощни магнитни полета, които са толкова необходими при създаването на термоядрени реактори, уникални конструкции на генератори на ток, нови физически устройства, влакове с магнитна левитация и много други полезни неща.Феноменът на свръхпроводимостта в композитите
Създаване композити, е възможно да се формират необходимите физически свойства и по този начин да се решат различни физически проблеми. Едно от тях е сътворението свръхпроводящи устройства. Това е много голям проблем, в работата по него участват хора от различни професии. Задачата на физиците и химиците е да получат вещества, които имат свръхпроводимост. А използването на вече известни свръхпроводящи материали за създаване на специфичен продукт - свръхпроводящ проводник - е типична задача за учените по материали.Свръхпроводящ проводник - композитен
Много години теоретични и експериментални изследвания са довели физиците до това заключение относно дизайна на свръхпроводящи проводници: да се осигури надеждна работа свръхпроводящ проводниквъзможно, ако представлява композитен, състоящ се от топлопроводима (например медна) матрица, в която непрекъснатите свръхпроводящи влакна са равномерно разпределени, ориентирани по оста на проводника.
Свръхпроводящ меден проводник. Желателно е диаметърът на тези влакна да не надвишава няколко микрометра, а броят им да се измерва в хиляди или десетки хиляди. В този случай обемната концентрация на влакната в матрицата трябва да бъде 5-7%, а диаметърът на цялата тел трябва да бъде около 1 mm. Свръхпроводящи влакна
Задачата на учените по материали е да се научат как да произвеждат такава тел; това не е лесна задача. Факт е, че традиционните методи за решаването му не са подходящи:- Няма свръхпроводящи влакна с диаметър микрометър, които също са дълги стотици метри или километри.
- Дори и да съществуваха, едва ли би било възможно да се гарантира, че няма да се счупят някъде по време на обработката, което означава, че няма да има доверие в качеството на композита и неговата надеждност.
Бронзът като материал за създаване на свръхпроводящи влакна. Недостатъкът на бронзовата матрица е намалената топло- и електрическа проводимост в сравнение с медта. Този недостатък може да бъде намален чрез използване на смесена матрица, включваща чиста мед заедно с бронз. Но при нагряване медта може да реагира с калай, което отново ще влоши нейните електрически и термофизични характеристики. За да не се случи това, е необходимо да се поставят прегради между медта и бронза, което също ще намали вихровите токове. Танталът е удобен за тази цел. Как изглежда проводник, съдържащ Nb 3 Sn влакна? Схематично структурата му се състои от 19 полигона, чиято форма е близка до шестоъгълната - това са нишки от бронз - Nb 3 Sn композит. Всички те са разположени в медна матрица. Напречното сечение на една такава жица се състои от 187 групи, съдържащи Nb 3 Sn влакна, като всяка група съдържа 19 такива влакна, а между тях има бронзова матрица. Общо композитният проводник съдържа 67 507 влакна с диаметър ~ 5 µm (или по-скоро всяко влакно се състои от ниобиево ядро, покрито със слой от Nb 3 Sn с дебелина ~ 1 µm). За да завърши производствения процес, целият композит се оформя в правоъгълна форма, така че да може да се навие плътно върху сърцевината. Такъв правоъгълен композитен проводник с напречно сечение 1,75x5,46 mm може да прекара ток от 5000 A в поле от 6 T и 1250 A в поле от 12 T. Но техническите изисквания се увеличават всяка година, и за да ги посрещнем, материали с още по-високи свойства. Това означава, че трябва да отидем по-далеч, да предложим нови идеи, да разработим нови технологии, да създадем нови.
Зареждане...