Лекция 1.1.3. Свехпроводники и криопроводники

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода Ткр.

Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Тк материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тк. Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тк и критической напряженности магнитного поля.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях.

Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

· при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

· некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Тк, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

· при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

· имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

· зависимость свойств сверхпроводимости от техноло-гических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

· сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

· трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры.

В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

· критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов;

· большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;

· меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Особенные свойства сверхпроводников, которые используются в современных технологиях

Сверхпроводники имеют сопротивление около нуля, а значит, могут проводить ток без тепловых потерь, если они находятся при температурах ниже критических, в магнитных полях и токах ниже критических.

В том случае, если сверхпроводники находятся в магнитных полях ниже некоторого критического значения, то сверхпроводник является идеальным диамагнетиком (магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает).

Если сверхпроводник имеет форму кольца или цилиндра, то его магнитный момент изменяется дискретно (на квант магнитного потока).

Если частота тока ниже критической, то поверхностное сопротивление сверхпроводника в десятки и даже сотни раз меньше, чем у хороших проводников при той же температуре.

Применение сверхпроводников

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 ($\sim {10}^{-12}B$).

В настоящее время из-за наличия сопротивления подводящих проводов потери электроэнергии составляют $30-40\%$. Если бы стало возможным передавать электроэнергию по сверхпроводящим проводам, то потери на джоулево тепло отсутствовали, что стало бы равносильно увеличению выработки электричества на треть. На основе сверхпроводников можно было бы изготавливать генераторы и электродвигатели с гораздо более высоким КПД, чем существующие сейчас.

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.

Примечание 1

Способность сверхпроводника переходить в нормальное состояние из сверхпроводящего и обратно, под воздействием магнитного поля используют для усиления небольших постоянных токов и напряжений. В данном случае слабый постоянный сигнал подается на сверхпроводник, который находится в переменном магнитном поле. При этом напряженность магнитного поля такова, что состояния сверхпроводника чередуются: нормальное состояние -- сверхпроводящее состояние. Так получают переменный ток с частотой равной частоте магнитного поля. Для создания резонаторов высокой добротности с небольшим затуханием для изготовления стенок резонатора применяют сверхпроводники, в которых происходит малое затухание.

Примечание 2

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.

Примечание 3

С помощью сверхпроводящих соленоидов создают сверхсильные магнитные поля, которые применяют для удержания плазмы при термоядерном синтезе. Магнитные поля большой индукции необходимы для работы транспортных средств на магнитной подушке.

Принцип разрушения магнитным полем сверхпроводящего состояния полагается в основу переключающих устройств (криотронов). Пленочные криотроны имеют очень небольшие размеры, короткий интервал переключения (${10}^{-9}-{10}^{-10}c\ $).

Проблемы практического использования сверхпроводимости заключены в том, что необходимо работать в области очень низких температур. Отыскание сверхпроводящих материалов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около комнатной, открыло бы большие возможности применения таких материалов в науке и технике.

Примечание 4

Первые успехи в этом направлении были сделаны в 1986 г. Беднорцем и Мюллером , которые выяснили, что керамика $La-Ba-Cu-O$ становится сверхпроводником, при температуре $35 К$. За это открытие ученые были удостоены Нобелевской премии в области физики.

Изученные образцы представляли собой смесь нескольких фаз и имели поликристаллическую структуру. Большинство ученых работающих над созданием высокотемпературных сверхпроводников называют подобные материалы «керамикой» .

Керамики в нормальном состоянии являются оксидами металлов. Их сложно получить в виде монокристаллов. Они в настоящее время изготавливаются в виде совокупности кристаллов (зерен) довольно слабо связанных друг с другом. В нормальном состоянии эти соединения имеют удельное сопротивление существенно большее, чем у металлов. У керамик удельное сопротивление растет с ростом температуры (при $T>T_k$). Все металлооксиды имеют слоистую структуру тетрагональной или ромбической симметрии. При переходе через температуру равную критической, кристаллическая структура высокотемпературный сверхпроводников не изменяется. Как в обычных сверхпроводниках в керамике найдена зависимость критической температуры от массы атомов, которые входят в структуру керамики (изотопический эффект). В высокотемпературных проводниках переход к состоянию с нулевым удельным сопротивлением происходит в более широком интервале температур, чем в обычных сверхпроводниках. В керамиках наблюдается эффект Мейсснера -- Оксенфельда . Для них существует критическое магнитное поле. Эти материалы относят к сверхпроводникам второго рода. Глубина проникновения магнитного поля в керамиках существенно больше, чем в низкотемпературных сверхпроводниках.

Так в конце восьмидесятых годов были открыты сверхпроводники с температурой перехода около 240 К.

Второй проблемой, сдерживающей развитие сферы применения сверхпроводниковых материалов, служит наличие критического магнитного поля и критических токов. Ограничения по критическому полю и току особенно важны при проектировании и создании сильноточных приборов.

Пример 1

Задание: На сегодняшний день самым точным прибором для измерения магнитных полей служит сверхпроводниковый квантовый интерферометр, который используют в широком диапазоне областей от прогнозирования землетрясений до медицинской диагностики. Действие этого прибора основано на эффекте Джозефсона. Объясните принцип действия этого прибора.

Решение:

Выделяют стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Суть стационарного эффекта в том, что ток может течь через малый зазор между сверхпроводниками в отсутствии внешнего электрического поля. Это значит, что куперовские пары, которые переносят ток в сверхпроводнике, могут туннелировать из одного сверхпроводника в другой даже через слой диэлектрика. Туннельный ток проходит через зазор без падения напряжения, если его плотность не выше некоторой критической величины. Этот ток чувствителен к наличию магнитного поля.

В том случае, если плотность туннельного тока превышает критическое значение, то на контакте появляется разность потенциалов и при этом должен появиться высокочастотный переменный ток. Или постоянное напряжение прикладывают к сторонам зазора. Куперовские пары будут перемещаться через зазор в одном, а затем в противоположном направлении. Появляется переменный ток с частотой, зависящей от приложенного напряжения. Это нестационарный эффект Джозефсона. В этом эффекте постоянное электрическое поле может порождать переменный ток.

Изготавливается маленький контур из сверхпроводника с двумя зазорами, через которые осуществляются переходы Джозефсона. Через контур пропускают ток. Так получают прибор -- квантовый интерферометр. Ток по цепи прибора может изменяться от 0 (это случай, когда токи, идущие по двум переходам, взаимно гасятся) до максимума (токи имеют одно направление и взаимно усиливаются) и это зависит от величины внешнего магнитного поля. В настоящее время используя сверхпроводниковый квантовый интерферометр, подключив датчики можно измерить электромагнитные сигналы, которые вырабатывает мозг человека.

Пример 2

Задание: Сверхпроводящие катушки с самоиндукциями $L_1\ \ и\ L_2$ включены в цепь рис.1. Гальванический элемент имеет ЭДС равную $\mathcal E$. Найдите токи в катушках. Коэффициентом взаимной индукции катушек пренебречь.

Рисунок 1.

Решение:

За основу решения задачи примем закон Ома:

где $R$ -- внешнее сопротивление, $r$ -- сопротивление источника. До того как источник тока включен поток через сверхпроводящий контур ABCD равен нулю. Он сохранится и после выключения тока, то есть можно записать, что:

Из выражения (2.2) следует, что:

\[\frac{I_1}{I_2}=\frac{L_2}{L_1}\left(2.3\right).\] \

Из уравнений (2.3) и (2.4) следует, что:

Ответ: $I_1=\frac{IL_2}{L_1+L_2},\ I_2=\frac{IL_1}{L_1+L_2}$, где $I=\frac{{\mathcal E}}{R+r}.$

Рис.12. Многократная ТМО

Рис.13. Зависимость критической плотности тока от заключительной вытяжки

Влияние пятого фактора – заключительной деформации – продемонстрировано на рис.13. В выпускаемых в производстве сверхпроводниках критическая плотность тока растет с увеличением заключительной вытяжки до тех пор, пока преимущества измельчения микроструктуры (для лучшего соответствия параметрам пиннинга) не подавляются развитием «сосисочности» волокон

(обычно в качественных композитах при ε = ln μ > 5). В максимальной оптимизации этих факторов заключается повышение критической плотности тока и обеспечение стабильности характеристик технических Nb-Ti сверхпроводников.

5. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К NB-TI СПЛАВАМ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Учитывая вышеизложенное, очевидно, что, в первую очередь, качество технических сверхпроводящих материалов зависит от качества исходного сверхпроводящего сплава Nb-Ti, т. е. от его химического состава, однородности и пластичности. Если рассматривать Nb-Ti сплав как сплав на основе титана, легированный ниобием (см.рис.13), то добавка Nb понижает температуру полиморфного превращения титана β→α , и, следовательно, увеличивает устойчивость β -фазы.

Примеси, контролируемые в спецификациях, с точки зрения влияния на полиморфное превращение являются стабилизаторами либо α -фазы, либо β -фазы. На рис. 14 представлен обобщенный график, классифицирующий легирующие элементы в титановых сплавах по их влиянию на полиморфное превращение. Примеси азота, кислорода, углерода и алюминия являются стабилизаторами α -фазы, т. е. повышают температуру полиморфного превращения, способствуют образованию и росту α -выделений и препятствуют их растворению. α --стабилизаторы потенциально повышают критическую плотность тока в сплавах, но, к сожалению, резко снижают технологичность проводов. Кислород сильнее всех остальных примесей способствует увеличению твердости и критической плотности тока, за ним следуют азот и углерод. Предельные содержания примесей O,C,N в спецификациях не связаны с ролью стабилизаторов α -фазы, а в большей степени вызваны желанием повысить пластичность проводов.

Рис.14. Классификация диаграмм состояния титановых сплавов

Примеси железа, никеля, хрома, кремния, меди и тантала являются стабилизаторами β -фазы, так как снижают температуру аллотропического превращения. Однако поскольку содержание этих примесей в промышленных сплавах низко, они не оказывают существенного влияния на фазовый распад. Результаты ряда работ показывают, что увеличение содержания Ta до 0.25 масс. % и даже до 2 масс. % не влияет ни на критическую плотность тока, ни на технологичность, однако снижает стоимость сплава из-за отсутствия необходимости очистки сплава от тантала. Увеличение содержания железа (Al, Cu) до 0.05 масс.% не ухудшает ни технологичности, ни сверхпроводящих характеристик сплава. Отмечено также благоприятное влияние Fe на критическую плотность тока проводов в полях выше 9 Тл.

Необходимым условием для получения высококачественных проводов являются высокие механические характеристики сплава и, в первую очередь, его пластичность. Повышения пластичности материала можно достичь за счёт предварительной деформации слитка с последующим рекристаллизационным отжигом перед закладкой Nb-Ti заготовки в сборку. Цель такого процесса – создание в Nb-Ti заготовке равномерной мелкозёренной структуры.

6. СПОСОБЫСБОРКИСОСТАВНЫХЗАГОТОВОК

Известные методы сборки составных заготовок включают однократную, двукратную и трехкратную сборки. Независимо от предполагаемого способа изготовления проводника первую многоволоконную составную заготовку собирают либо из биметаллических Cu/NbTi (или триметаллических Cu/Nb/NbTi) элементов, либо раздельно из медных трубок и ниобий-титановых стержней. Биметаллические (триметаллические) элементы и медные трубки могут быть круглого и шестигранного сечения, однако предпочтение отдают шестигранным элементам, поскольку сборка круглых обычно вносит значительное количество нежелательных пустот. Избыток пустот может привести к искажению геометрии сборки и даже к разрушению ее оболочки во время изостатического прессования (обжатия). Искажение сборки, вызываемое смещением групп элементов друг относительно друга, характерно для круглых элементов. Вид поперечных сечений проводников, изготовленных из сборок с элементами круглого профиля, выявляет многочисленные области, в которых нарушается геометрический порядок расположения и профиль волокон. Гексагональные элементы эффективно замыкаются и образуют монолитную массу, обжатие которой не приводит к активному смещению волокон из своих положений.

Рис.15. Сборка составных заготовок

Рис16. Сверхпроводники на основе Nb-Ti для различных полоидальных обмоток ИТЭР (а ), СКНТ 0.82-42-0.25 для томографов (б )

При компенсации большого количества пустот за счет обжатия следует учитывать возможность уменьшения исходного размера заготовки и, как следствие, уменьшение общей вытяжки при волочении, что, в свою очередь, не позволит получить расчетный диаметр волокон при требуемом диаметре провода. Заполнение пустот между элементами круглого сечения изменит расчетное соотношение меди и сверхпроводника.

Таким образом, при сборке составных заготовок любой кратности целесообразно использовать элементы шестигранного сечения.Однократная сборка позволяет наиболее экономичным способом изготовить высококачественные сверхпроводники (рис.15).

Используя сборку биметаллических (триметаллических) шестигранных прутков, можно конструировать проводники с числом волокон от нескольких штук до нескольких десятков тысяч (рис.16).При необходимости изготовления проводов с большим числом ниобий-титановых волокон используют двукратную и трехкратную сборки. Существенным недостатком этих методов является высокая стоимость и более низкое качество проводов по сравнению с проводами, полученными из однократной сборки.

7. ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Со времени открытия сверхпроводимости усилия физиков и инженеров были направлены на поиски различных вариантов технического использования этого поразительного явления. До шестидесятых годов прошлого века сверхпроводники и сверхпроводимость были объектами только физического исследования. Проблема практического использования сверхпроводников относилась к области научной фантастики. Огромные возможности, которые открывает перед техникой использование сверхпроводящих магнитных систем, стимулируют проведение исследований во всевозрастающем объеме.

Однако только после развития техники низких температур, появления теоретических работ, объяснивших природу сверхпроводящего состояния, и, конечно, после создания сверхпроводящих материалов с высокими критическими свойствами сверхпроводимость начала выходить на дорогу практического применения. Для одних отраслей науки и техники применение сверхпроводников позволяет улучшить характеристики приборов, для других является единственным приемлемым решением, например в космических и транспортных аппаратах, термоядерных реакторах и МГДгенераторах. Важными сферами применения сверхпроводников может быть их использование в физике высоких энергий, плазмы, термоядерных реакций, МГД-генераторах, при передаче электроэнергии на большие расстояния, в различных приборах электрон-

ной, измерительной и вычислительной техники, особенно для медицинской диагностики. Примеры использования сверхпроводников можно условно разделить на три группы:

для получения сильных магнитных полей; для кабелей электропередач; для электроники.

7.1. Применение сильноточных сверхпроводников

В основном два уникальных свойства сверхпроводников лежат в основе их сильноточных применений:

в интервале значений, ниже критических величин температуры, индукции магнитного поля и плотности электрического тока, сверхпроводники имеют нулевое сопротивление и способны нести ток без потерь на нагрев проводника;

при значениях магнитного поля ниже так называемого мейснеровского сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом.

Сильноточные технологии разрабатываются для создания устройств больших мощностей и запасенных энергий. Сильноточные сверхпроводники применяются для создания, в первую очередь, высоких магнитных полей, поскольку для поддержания в сверхпроводящем соленоиде уже созданного поля не требуется затрат электрической мощности. Энергия не теряется и может быть использована в случае надобности снова. Этот принцип используется

и при создании накопителей энергии.

Соленоиды из меди имеют проблему прочности. В поле с индукцией 100 Тл магнитные усилия эквивалентны усилиям в жерле пушки при выстреле! Поэтому требуется усиливающая обмотка из медных сплавов повышенной прочности. Другая проблема – большой расход хладагента.

У сверхпроводящих соленоидов эти проблемы решаются, так как они легче и меньше по размерам – они требуют меньшего расхода хладагента. Для сравнения – при индукции магнитного поля 10-15 Тл сверхпроводящий магнит весит всего несколько десятков килограммов, занимает площадь несколько квадратных метров и расходует около 10 л жидкого He в сутки. И это вместо нескольких десятков тонн и тысяч киловатт электроэнергии, которые потребовались бы для несверхпроводящего магнита.

Естественно, что первой областью применения сверхпроводимости явилась физика твердого тела и физика высоких энергий. Магнитные поля применяются практически во всех областях физики.

Сверхмагниты, создающие в малых объемах сильное и очень однородное магнитное поле, нужны при изучении твердого тела. Сильное магнитное поле резко заворачивает траектории электронов, летящих в толще образца. Измерение частоты колебания этого движения позволяет определить эффективную массу электронов, длину свободного пробега между двумя соударениями, концентрацию частиц. Становится также возможным сознательно вводить центры рассеяния электронов и изучать влияние этих центров на электронную систему.

Физика высоких энергий – это не только создание магнитных систем ускорителей, а также и каналов транспортировки и сепарации пучков, разнообразных детектирующих систем. Сильные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, нужны и для управления пучками частиц на выходе из ускорителя.

Современные ускорители, сообщающие частицам высокие энергии (десятки и сотни гигаэлектронвольт), имеют вид больших колец и состоят их секторных магнитов. Ускорители – это очень сложные и дорогостоящие сооружения. В нашей стране был построен под Серпуховом крупнейший протонный ускоритель, который имеет диаметр 0,5 км, его длина 1,5 км, он состоит из 120 массивных блоков весом 20 тысяч тонн и способен набирать до 76 ГэВ энергии. (В Дубне работают небольшие ускорители на основе нио- бий-титанового сплава НТ-50.)

Создана установка «Гиперон-1» для исследования частиц с малым временем жизни; диаметр рабочей области 1 м, индукция магнитного поля достигает 5 Тл. Обмотка из сверхпроводников на основе ниобий-титанового сплава НТ-50 имеет вес 8 т, его криогенная установка потребляет только сотую часть энергии, которую потреблял бы в обычном использовании аналогичный несверхпроводящий магнит.

Создание магнитов для Большого адронного коллайдера (LHC) является в настоящее время самым масштабным использованием сверхпроводников, поскольку для этого потребуется изготовить ~ 1400 тонн проводника, в котором ~ 400 тонн приходится на Nb-Ti

сплав. Экспериментальные провода диаметром 1,065 мм с диаметром волокон 12 мкм были изготовлены в рамках исследовательской программы LHC – Большого адронного коллайдера, который будет работать при температуре сверхтекучего гелия (1,9 К).

ИТЭР, Токамаки. Энергетика является важной и перспективной областью применения сверхпроводников. Потребление энергии растет неуклонно, а в условиях ограниченности используемого природного топлива – нефти, газа, угля – встает вопрос о новых источниках энергии, одним из которых может стать термоядерный синтез. Электростанция на термоядерной энергии – это революция, сравнимая с изобретением паровой машины и компьютера. Все без исключения серьезные специалисты считают, что лишь использование термоядерной энергии способно решить энергетические проблемы цивилизации. В отличие от газа и угля он не исчерпаем, в отличие от атомной энергии – безопасен. В отличие от нетрадиционных источников – эффективен для промышленного освоения.

Одной из наиболее острых и важных проблем при использовании термоядерного синтеза является осуществление управляемой термоядерной реакции. Успешные решения этой задачи обещает человечеству неисчерпаемые источники энергии. Принцип действия термоядерного реактора имеет много общего с обычным атомным реактором (см.рис.16) Различие состоит в том, что термоядерная реакция – есть реакция синтеза (соединения) легких ядер в более тяжелые, а не их деления: например синтез ядер гелия из ядер дейтерия – тяжелого водорода. Из дейтерия, содержащегося в 1 л воды, можно получить такую же энергию, как при сгорании 350 л бензина.

Такой синтез осуществлен при взрыве водородных бомб, но эта реакция неуправляема. Для осуществления управляемого синтеза необходимо разогнать ядра легких атомов до таких скоростей, чтобы при столкновении они не разлетались. Для этого надо иметь очень высокую температуру – в десятки миллионов градусов. Когда любое вещество находится в состоянии плазмы, атомы теряют электронные оболочки и образуется бурлящая смесь положительно заряженных частиц. Такую плазму можно удержать только магнитным полем. Эти поля так велики, что их можно создать только с помощью сверхпроводящих магнитов. На установках типа Токамак

удалось осуществить удержание плазмы при температуре 80 млн. град при высокой плотности до 1015 частиц в 1 см3 (рис.18).

Рис.17. Схематичное изображение термоядерной реакции

Рис.18. Распределение тороидального магнитного поля в поперечном сечении Токамака: 1 – стенка рабочей камеры; 2 – обмотка; 3 – плазма

Наибольшего значения магнитная индукция достигает на обмотках с внутренней стороны тора, поскольку здесь плотность тока (число витков на единицу площади) максимальна. Внутри обмоток поле изменяется сравнительно медленно (по закону 1/r ), а снаружи резко падает.

Токамак по принципу действия можно сравнить с большим трансформатором. К его первичной обмотке проводится электропитание из сети. Вторичной обмоткой служит замкнутая тороидальная вакуумная камера, заполняемая водородом или его тяжелыми изотопами. При пропускании через первичную обмотку переменного тока в камере возникает вихревое поле, которое ионизирует рабочий газ. Наведенный в этом газе, как в проводнике сильный ток (в сотни тысяч ампер) образует плазму и нагревает ее до высоких температур. Сильное магнитное поле вторичного тока и

Однажды в поисках материала по нанотехнологиям я узнала, что студенты кафедры «Физика наноструктур и наноэлектроника» Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского занимаются таким явлением, как сверхпроводимость. Мне стало интересно, какие же преимущества сверхпроводники имеют перед обычными проводниками и почему же они не используются в быту.

Цель работы - выявить перспективы использования сверхпроводимости в настоящем и будущем.

Задачи:

1) ознакомиться с историей открытия сверхпроводимости;

2) изучить основные виды сверхпроводимости;

3) выявить практическую значимость и перспективы использования явления СП в современном мире и в будущем;

4) рассмотреть роль нанотехнологий в развитии комнатной сверхпроводимости.

Методы:

1) Эмпирические: а) изучение литературных источников;б) самооценка.

2) Теоретические: а) описание;б) обобщение.

Объект исследования - сверхпроводники.

Предмет исследования - применение сверхпроводников.

Гипотеза - спектр применения сверхпроводников крайне широк.

I. История открытия сверхпроводимости.

Сегодня сверхпроводимость - это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьезные перспективы. Что же представляет собой сверхпроводимость? Какой смысл заложен в этом понятии?

Сверхпроводимость - это квантовое явление, при котором течение электрического тока в материале происходит без диссипации энергии. Оно характеризуется падением до нуля электрического сопротивления при охлаждении сверхпроводника ниже определенной температуры, которая называется температурой сверхпроводящего перехода (Tc) и определяется для каждого конкретного материала.

Другим ключевым параметром является критическая плотность тока (Jc, сила тока, поделенная на сечение сверхпроводника). Это значение соответствует величине плотности электрического тока в сверхпроводнике, при превышении которого образец возвращается в нормальное несверхпроводящее состояние.

Третьим критическим параметром является величина приложенного магнитного поля (Bc), при превышении которой восстанавливается электрическое сопротивление сверхпроводника, и он снова становится несверхпроводящим.

Изучив историю открытий в области сверхпроводимости, я обобщила материал в виде таблицы (см. Приложение 1).

II. Виды сверхпроводников и их свойства.

1. По температуре перехода в сверхпроводящее состояние

А) Низкотемпературные (Тс ниже 77 К).

В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы - кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла. Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера. Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение.

Б) Высокотемпературные (Тс от 77 до 135 К).

Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

В) Комнатные (293 К).

Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике. Но пока что в этой области сделано очень мало открытий.

2. По магнитным свойствам: (см. Приложение 2)

А) Сверхпроводники Iрода.

Сверхпроводниками I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры и критической напряженности магнитного поля у них малы, что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера.

Б) Сверхпроводники IIрода.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Они переходят в сверхпроводящее состояние в некотором интервале температур. Значения критической температуры и напряженности у них меньше. В таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля.

Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки.

3. По общим свойствам:

А) Органические сверхпроводники (Tc= 11,5 К).

Б) Соединения типа A-15, представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники (Tc= 23,2 К).

В) Магнитные сверхпроводники или фазы Чевреля, объединяющие ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники (Tc= 15 К и Bc2 (вернее поле) = 60 Тл).

Г) Тяжелые фермионы (Tc=18К) демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом.

Д) Оксидные сверхпроводники без меди - предшественники высокотемпературных сверхпроводников (Tc=31К), монокристаллы перовскитного диэлектрика - оксида вольфрама, допированного натрием (91 К).

Е) Оксипниктиды - редкоземельные оксидные структуры без меди, (Tc=55К); также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs.

Ж) Оксиды пирохлоров, представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий (Tc= 9,6 К).

З) Рутенокупраты - ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом (Tc= 50 К).

И) Высокотемпературные сверхпроводники - сверхпроводящие купраты, в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO2, (Tc= 166 ± 1,5 K).

К) Редкоземельные борокарбиды (Tc= 23 К).

Л) Кремниевые сверхпроводники (при высоком избыточном давлении Tc= 14 К).

М) Халькогениды - структуры на основе серы и селена (Tc= 4,15 К).

Н) Углеродные сверхпроводники - фуллеренные структуры (Tc= 40 К).

О) MgB2 и родственные структуры (Tc=39К) - дешевые и широкодоступные материалы (магнезию можно купить в любой аптеке!).

4. По типу кристаллических решеток:

А) Мягкие - чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

Б) Твердые - сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Обладают рядом особенностей:

При охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит на протяжении некоторого температурного интервала;

Имеют высокую Тс;

Некоторые имеют относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

При изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

Имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

Зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

5. По технологическим свойствам:

А) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты;

Б) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии.

III. Применение сверхпроводников в современном мире.

1. Настоящее.

Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на:

• различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;
• микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей, цифровая электроника, искусственные биологические системы;
• макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

Основные области применения явления сверхпроводимости сегодня можно представить в виде таблицы (см. Приложение 4).

Рассмотрим несколько наиболее важных отраслей применения.

А) В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Высокая плотность тока в сверхпроводниках позволяет уменьшать размеры оборудования, а также создавать магнитные поля высокой интенсивности, недостижимые обычной аппаратурой. Ограничивающим фактором является необходимость поддержания проводника при низкой температуре, что само по себе требует энергозатрат, поэтому наиболее актуальны применения в устройствах большой мощности. В этом случае затраты на криообеспечение пренебрежимо малы.

В настоящее время промышленность США уже имеет коммерческие ВТСП изделия - трансформаторы, электрические моторы, токоограничители и силовые кабели. С ростом производства изготовители ВТСП кабелей будут способны установить их во всех электросетях США. ВТСП кабели имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. ВТСП кабели не воздействуют на окружающую среду - они не излучают электромагнитные поля, в них не используют для охлаждения при подземной прокладке технические масла, как в случае традиционных кабелей. Исключение суммы потерь (4 млрд. долл. ежегодно) может компенсировать относительно высокую на данное время стоимость ВТСП кабеля.

На диаграмме (см. Приложение 3) показаны потери в ВТСП и традиционных кабельных сетях при 50 МВА и 132 кВ.

Б) Кто из нас не мечтал в детстве летать? Не так давно в Тель-Авивском университете прошла презентация проекта Superconductivity Group, которая наглядно показала, что эта мечта может сбыться.

Суть квантовой левитации состоит в том, что благодаря правильному использованию физических свойств сверхпроводников их возможно не просто удержать в воздухе, но и заставить двигаться над и даже под магнитными "рельсами" с умопомрачительной скоростью (см. Приложение 4, 5).

В) Несмотря на кажущуюся простоту, трение остается дискуссионной и плохо изученной проблемой. В частности, отсутствие ясной взаимосвязи между трением на микро- и макроскопическом уровне не позволяет вывести фундаментальный закон, позволяющий одинаково правильно описывать это явление на разных масштабах.

С изобретением в 1986 году атомно-силового микроскопа с кантилевером с микроскопической иглой на конце исследование трения переместилось на атомарный уровень, а сама наука о силе трения превратилась в нанотрибологию.

Оказалось, что прояснить ситуацию помогает явление сверхпроводимости.

Неконтактное трение имеет двойную природу: электронное трение (электростатическое плюс ван-дер-ваальсово) и фононное.

Парное объединение электронов при сверхпроводимости проводимости приводит к тому, что они начинают вести себя как единое целое. Благодаря этому единству электроны без потерь энергии двигаются через кристаллическую решетку, игнорируя ее сопротивление.

Значит, если электроны становятся невосприимчивы к препятствиям на своем пути, они не будут реагировать и на внешний раздражитель в виде иглы микроскопа. Следовательно, в системе «игла кантилевера — сверхпроводящая поверхность» вклад в трение будет давать лишь фононная часть, а электронная будет равна нулю.

Группа ученых из Швейцарии и Испании под руководством Эрнста Мейера ряд таких экспериментов, которые доказали, что трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы.

Г) Возможность существования сверхпроводимости при комнатной температуре и выше обосновали лауреат Нобелевской премии В.Л.Гинзбург и У. Литтл. Ими показано, что одной из самых важных проблем в области нанотехнологии является создание комнатнотемпературных сверхпроводников (КТСП). Нанотехнология КТСП позволяет конструировать искусственные слоистые сверхпроводниковые наноструктуры, нанося атомные слои не только из тех материалов, у которых параметры кристаллической решетки близки друг к другу (как требуется для полупроводниковых структур). При нанотехнологии можно использовать гораздо большее разнообразие проводников и диэлектриков, нанося их монослои с атомной точностью для создания искусственных электронного и фононного спектров, необходимых для КТСП. Именно это позволяет сделать исследования и производство сверхпроводящих материалов неким “полигоном” для отработки нанотехнологических методов для сильнокоррелированных структур. Поэтому, создание КТСП - это, в значительной мере, нанотехнологическая проблема и, на мой взгляд, одна из важнейших.

В настоящее время сверхпроводник, работающий при комнатных температурах, может быть изготовлен как в объемном, так и в пленочном виде.

2. Будущее.

Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений.

Одним из самых перспективных направлений является комнатная сверхпроводимость. Оно будет усиленно развиваться, т.к. имеет огромное значение.

В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии. Еще одно перспективное применение сверхпроводников - в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах и на автомобильном транспорте.

Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд будет двигаться плавно, без шума и трения и будет способен развивать очень большую скорость. Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Заключение

Таким образом, возможности применения сверхпроводимости в настоящее время распространяются на многие сферы жизни. В недалеком будущем сверхпроводимость станет одной из базовых составляющих технического прогресса во многих секторах экономики и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни. Благодаря нанотехнологиям будет развиваться комнатная сверхпроводимость, что сможет изменить нашу жизнь к лучшему. Поставленная мной в начале работы гипотеза подтвердилась.

Литература и источники

1. «Атомпресса» № 9, март 2008 г. Предложения по работам в области технической сверхпроводимости.

2. Боголюбов Н. Н., Толмачев В. В., Ширков Д. В. Новый метод в теории сверхпроводимости. — М.: Изд-во АН СССР, 1958.

3. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. — М.: Альфа-М, 2006.

4. И.А. Ковалёв, С.А. Лелехов, Н.А. Черноплёков и др., Оценка возможности создания подводной ВТСП линии электропередачи постоянного тока мощностью 1 ГВА с рабочим напряжением 500 кВ /Сборник трудов «Российский электротехнический конгресс», секция 9, С. 16.

5. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. Книга для учащихся - М.: Просвещение, 1991.

6. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994.

7. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996

8. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: Изд-воМЦНМО, 2000.

9. Ren Y., Weinstein R., Sawh R., Liu J. // Phys. C. - 1997. - Vol. 282-287. - P. 2301.

10. Sakai N., Mase H., Ikuta H., et al. // Supercond. Sci. Technol. - 2000. - Vol. 13. - P. 770-773.

11. ru.wikipedia.org.

12. electricalschool.info.

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

см. оригинальный текст работы в формате.docx

Приложение 4.

см. оригинальный текст работы в формате.docx

Приложение 5.

см. оригинальный текст работы в формате.docx

Приложение 6.

Мы живем в мире, где все взаимосвязано, и от того, как мы поступим сегодня, зависит наше будущее. В данном тексте В.М. Песков предлагает нам задуматься над проблемой взаимосвязи человека и природы.

Обращаясь к теме, писатель приводит в пример слова ученого, долгое время изучающего космос: «Надо беречь свой дом – родную Землю». Автор, анализируя пагубное влияние человека на окружающую среду, делает акцент на том, что именно мы являемся частью «сложного узора жизни на нашей планете», мы стоим во главе мира животных и мира природы, мы зависим от них также, как и они зависят от нас, и поэтому глупо и опрометчиво истреблять редкие виды животных, загрязнять и уничтожать окружающую среду, надеясь «переехать» на другую планету.

Автор считает, что человек должен заботиться о нашей планете и обо всем, что её населяет, потому что другого шанса увидеть редкие природные явления или, к примеру, «белоголового орлана» не будет – у нас есть лишь одна планета, которая «нас кормит, дает нам дышать, снабжает водой, теплом и радостью жизни». Если мы не дадим существовать всему живому на земле – оно исчезнет, и вместе с ним исчезнем и мы.

Я полностью согласна с мнением писателя и тоже считаю, что окружающий мир нуждается в нашей заботе, как и мы нуждаемся в тепле, воздухе, еде и красоте – в общем во всем, что дарует нам наша планета. Нужно беречь Землю, ведь другой такой у нас не будет.

В.П. Астафьев в своем произведении "Царь - рыба" показывает нас, что природа живая и одухотворенная, она способна как наградить человека за его заботу, так и наказать его за наглость и причиненную боль. Главный герой произведения возомнил себя «царем природы» и посчитал, что может распоряжаться ею как пожелает. Однажды поймав «царь-рыбу», он, вопреки наказам деда, поддавшись жадности, решил справиться с ней самостоятельно, за что был наказан падением в реку. И, как бы Игнатьич не пытался обвинять все вокруг в своей, как ему тогда казалось, неминируемой смерти, он все же раскаялся во всех своих грехах, за что и получил возможность жить дальше.

В повести А.И. Куприна "Олеся" автор изобразил пример правильного отношения к природе. Главная героиня всю свою жизнь прожила в единении с окружающим миром – она ощущала тонкую связь между собой и лесом и воспринимала его как что-то живое, наделенное душой. К миру природы девушка гораздо ближе, чем к урбанизированному миру людей, и поэтому всегда вставала на защиту всех обитателей леса.

Таким образом, можно сделать вывод, что людям необходимо ценить Землю, заботиться о ней и не забывать, что помимо нас существует еще множество живых существ, которые нуждается в нас также, как и мы нуждаемся в них. Только осознав это, мы сможем сохранить нашу планету.