Надпровідники першого та друго роду (стр. 4 из 5)
В надпровідниках другого роду (зазвичай це сплави) проникнення магнітного поля починається з утворення вихрових ниток, в серцевині яких в основному зосереджене магнітне поле. При цьому речовина ще не втрачає надпровідних властивостей, і по ньому протікають струми, які часково екранують зовнішнє поле. Відповідне початку проникнення критичне магнітне поле Нк1 менше термодинамічного критичного поля Нк для цих речовин. Повне проникнення магнітного поля в надпровідник наступає при Нк2 , яке може бути як менше, так і більше Нк. В так званих жорстких надпровідниках, серед яких найбільш відомі сплави на основі ніобія, критичне магнітне поле Hk2>> Hk1. При значеннях поля Hk2 і Hk1
8.2. Критичний струм.
У надпровідників 1-го роду критичний струм Ic, при якому надпровідність руйнується, співпадає із струмом, що створює на поверхні зразка магнітне поле Н = Нс (правило Сильсбі). Наприклад, для циліндрового зразка радіусу r магнітне поле на його бічній поверхні пов'язане з поточним струмом співвідношенням:
.Для надпровідників другого роду правило Сильсбі непридатно. Критичний струм в надпровідниках 2-го роду незвичайно чутливий до структури зразка і у одного і того ж матеріалу може мінятися на декілька порядків величини.
8.3. Критична температура.
Розглянемо, в яких межах міняється Тк . У елементарних надпровідників, включаючи елементи, що виявляють надпровідність при високому тиску, мінімальне значення Ткмає вольфрам: Тк = 0,015 К, максимальне - ніобій: Тк = 9,25 К. У сплавів Тк має істотно вищі значення: V3Ga - 14,5 K, V3Si - 17 K, Nb3Sn - 18 K, Nb3Al – 8 К, Ge0,2 - 20,7 K. Рекордне значення Тс до 1986 року мало з'єднання Nb3Ge - 23,2 K. У нещодавно синтезованих вуглецевих кластерів - фулеренов, легованих калієм, K3C60, Тс = 20 К. Прі легуванні фулеренов цезієм і рубідієм (CsC60 і PbC60) Тс підвищується до 30 К.
Цікаво відзначити, що до 1986 року існувало думка, що високотемпературна надпровідність (при температурах вище за температуру кипіння рідкого азоту) неможлива. Тому відкриття Беднорцем і Мюллером в 1986 році надпровідності у керамік La2 - xBaxCuО4 з Тк = 35 K і La2 - xSrxCuO4 з Тк = 40 K з'явилося справжньою сенсацією. Незабаром після цього відкриття були синтезовані кераміки YBa2Cu3O7 - x з Тк = 90 K, Bi2Sr2CaCu2O8 з Тк = 110 K, Tl2Ba2CaCu2O8 з Тк = 125 K. У найостанніший час синтезовано з'єднання HgBa2Ca2Cu3O8 + x з Тк = 135 К.
Безумовно, відкриття надпровідників з такими значеннями Тс є видатним досягненням, оскільки для охолоджування надпровідних систем стало можливим використовувати дешевий і відносно легко доступний рідкий азот замість дорогого гелію. Проте всі приведені значення Тс істотно нижчі за кімнатну температуру, і тому надзвичайно актуальна можливість синтезу нових надпровідників з ще вищими Тк . Пошуком високотемпературних надпровідників зайнято зараз багато лабораторій миру.
Після відкриття високотемпературної надпровідності і до теперішнього часу в літературі з'являються повідомлення про спостереження надпровідності при температурах вище 140 До і навіть при кімнатній температурі: близько 310 К (біля + 400 С). Правда, автори відзначають, що надпровідні фази, що володіють такими Тк, є термодинамічно нестійкими і розпадаються при багатократному пониженні і підвищенні температури. Що можна сказати із цього приводу? Мабуть, гранично високим значенням Тк = 135 К за нормальних умов володіє система HgBa2Ca2Cu3O8 + x . Це термодинамічно стійке значення. Дуже цікаво, що якщо це з'єднання піддати всесторонньому стисненню, то його Тк оборотно підвищується до значення близько 160 К ! Це указує на можливість синтезу надпровідників з такими Тк. Наскільки реально буде отримати термодинамічно стійкі надпровідники вищими Тк, сказати важко, хоча отримання метастабільних фаз з Тк = 300 К є, мабуть, можливим і представляє, на мій погляд, великий інтерес, оскільки свідчить про принципову можливість існування надпровідності при таких температурах.
9. Застосування надпровідності.
Питання різних застосувань надпровідності почали обговорюватися практично відразу ж після відкриття цього вражаючого явища. Ще Камерлінг-Оннес вважав, що за допомогою надпровідників можна економічним чином створювати сильні магнітні поля. Проте реальне використання надпровідності почалося лише в кінці 50-х-начале 60-х років. В даний час вже працюють надпровідні магніти практично будь-яких розмірів і будь-якої форми. Вони вийшли за рамки чистих наукових досліджень, і сьогодні їх широко використовують в лабораторній практиці, в прискорювальній техніці, медичних томографах, установках для керованої термоядерної реакції. За допомогою надпровідності стало можливим набагато підвищити чутливість багатьох видів вимірювань. Надпровідність стала не тільки технічною дисципліною, але і окремою галуззю промисловості. І, звичайно, відкриття високотемпературної надпровідності створило передумови до ширшого впровадження в повсякденну практику різних надпровідних пристроїв. Нижче ми приведемо для ілюстрації лише декілька прикладів.
Найбільше застосування надпровідники знайшли в даний час в області створення сильних магнітних полів. Сучасна промисловість проводить з надпровідників II роду різноманітні дроти і кабелі, використовувані для виготовлення обмоток магнітів. Переваги надпровідних магнітів достатньо очевидні. Не кажучи навіть про можливість отримання за допомогою надпровідників значно сильніших магнітних полів (зараз в чисто надпровідних системах досягнуті поля більше 20 Тл), ніж при використанні залізних магнітів, надпровідні магніти є і економічнішими. Так, наприклад, для підтримки в мідному соленоїді з внутрішнім діаметром 4 см і завдовжки 10 см поля в 10 Тл необхідна електрична потужність не менше 5100 кВт, яку потрібно повністю відвести водою, що охолоджує магніт. Це означає, що через магніт треба прокачувати не менше 1 м3 води в хвилину, а потім її ще охолоджувати в спеціальному пристрої (градирне). У надпровідному варіанті такий об'єм магнітного поля створюється досить просто, необхідне лише створення гелієвого криостата для охолоджування обмоток, що зараз є досить простій технічним завданням.
Дуже вигідно використовувати надпровідники в електротехніці і енергетиці. Адже в даний час втрати на тепло джоуля в проводах, що підводять, оцінюються величиною 30-40 %, тобто більш за третину всієї вироблюваної енергії витрачається дарма на «опалювання» Всесвіту. Якщо ж передавати електроенергію по надпровідних проводах з нульовим опором, то таких втрат не буде взагалі. Це все одно, що відразу більш ніж на третину збільшити вироблення електроенергії. На основі надпровідників можна створювати електродвигуни і генератори з високим ККД і іншими покращуваними робочими характеристиками. Піонером в області впровадження високотемпературних надпровідників в електромережу, що діє, стала Данія. З лютого 2001 року в Копенгагені в ділянку трифазної електромережі напругою 30 кВ встановлений надпровідний кабель завдовжки 30 м. В кінці цього ж року в детройті (США) увійшла до експлуатації ділянка електромережі завдовжки 120 м. В кінці 2001 року в Росії був успішно випробуваний досвідчений двигун з ВТНП потужністю 30 кВт.
Принадна перспектива використання ефекту механічного відштовхування надпровідника на транспорті. Мова йде про створенні поїзда на магнітній подушці, в якому будуть повністю відсутні втрати на тертя об колію дорогі. На початку 2003 року в Японії був випробуваний такий пасажирський поїзд. Склад з чотирьох вагонів «пролетів» по експериментальній трасі в префектурі Яманаси на північний захід від Токіо із швидкістю 502 км/год. Силою магнітного поля, що створюється високотемпературними надпровідниками, поїзд підвело на 10 см від землі і через дві хвилини опустило вже за 18,5 км. від стартового майданчика.
Табл .2. Сфери застосування надпровідності.
| Застосування | Примітки |
| Крупномасштабнеа) екранування | Надпровідник не пропускає магнітний потік, отже, він екранує електромагнітне випромінювання. Використовується в мікрохвильових пристроях, захист від випромінювання при ядерному вибуху. |
| Високоточні пристроїа) магнітиб) науково-дослідне устаткуванняв) магнітна левітація | НТСП магніти використовуються в прискорювачах частинок і установках термоядерного синтезу.Інтенсивно проводяться роботи із створення поїздів на магнітній подушці. Прототип в Японії використовує НТСП. |
| Інші статичні застосуванняа) передача энергіїб) акумуляціяв) обертальні електричні машиниг) обчислювальні пристрої | Прототипні лінії НТСП продемонстрували свою перспективність.Можливість акумулювати електроенергію у вигляді циркулюючого струмуКомбінація напівпровідникових і надпровідних приладів відкриває нові можливості в конструюванні обладнання. |
10. Висновки.
Відкриття явища надпровідності Камерлінг-Оннесом в 1911 році зумовило до вивчення нового класу речовин – надпровідників. Вчені досліджували надпровіднісь довгий час, але причина явища була встановлена тільки в 1957 році Дж. Бардіном, Л. Купером і Дж. Роберт Шріффером. Вони пояснили це явище на основі квантової теорії.