Надпровідність та її використання в техніці (стр. 1 из 7)
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра фізики напівпровідників
Надпровідність та її використання в техніці
Курсова робота
студента 2 курсу , 4-ої групи
фізичного факультету
Біланича Р.М.
Науковий керівник:
проф. Грабар О.О.
Ужгород-2005
ВСТУП
1. ТЕОРІЯ НАДПРОВІДНОСТІ
1.1 Чудеса поблизу абсолютного нуля
1.2 Надпровідник у магнітному полі
1.3 Рівняння Лондонів. Глибина проникнення
1.4 Два типи електронів
1.5 Абрикосові вихрі
1.6 Теорія Бардіна-Купера-Шріффера
2. ВИКОРИСТАННЯ НАДПРОВІДНОСТІ В ТЕХНІЦІ
2.1 Надпровідні соленоїди
2.2 Надпровідні генератори
2.3 Кабелі для передачі інформації
2.4 Трансформатор постійного струму
2.5 Магнітні підвіси і підшипники
2.6 Надпровідні перемикачі й елементи пам’яті
2.7 Надпровідні об’ємні резонатори
2.8 Надпровідні екрани для магнітних полів
ВИСНОВКИ
ЛІТЕРАТУРА
ВСТУП
Коли давньогрецькі мислителі ще тільки дивувалися "силі, що таїться в янтарі і у магнітному камені ", приручений вогонь уже світив, грів, обпалював і плавив метал. Від завойованого і прирученого вогню людина повернулась до холоду. Відбулося це зовсім недавно, але створений нею рукотворний холод уже знайшов собі чимало застосувань. Логіка розвитку техніки привела до того, що в дивний світ найнижчих у природі температур почали опускати не тільки фізичні прилади, які реєструють що відбувається, але і цілі технічні пристрої. Відкриття, зроблені на цьому шляху, виявилися настільки своєрідними , властивості речовини - такими незвичайними , що одержання низьких температур і самі дослідження в умовах надглибокого холоду виділилися в самостійну науково-технічну область - фізику і техніку низьких температур. При низьких температурах було виявлено одне із самих дивних явищ у природі - надпровідність.
Про надпровідність стало відомо в 1911 році . Але протягом десятиліть дослідженням цього загадкового явища займалися лише деякі фізичні лабораторії. Довгий час про надпровідність знали лише дуже мало вчених, зайнятих розробкою фундаментальних основ фізики твердого тіла, термодинаміки , електромагнетизму. Пройшло майже піввіку від відкриття до правильного розуміння надпровідності .
Сьогодні надпровідність - це одна з найбільш досліджуваних областей фізики, явище, що відкриває перед інженерною практикою серйозні перспективи. В наш час розширюється використання явища надпровідності для турбогенераторів, електродвигунів, уніполярних машин, топологічних генераторів, жорстких і гнучких кабелів, комутаційних пристроїв, магнітних сепараторів, транспортних систем і багато іншого. Слід також відзначити важливий напрям в роботах по надпровідності - створення вимірювальних пристроїв для вимірювання температур, витрат, рівнів, тиску і т.д.
1. ТЕОРІЯ НАДПРОВІДНОСТІ
1.1 Чудеса поблизу абсолютного нуля
Чимало приводів для міркувань приніс фізикам початок XX століття. Серед них результати дослідів в умовах надглибокого холоду при температурах усього лише на кілька градусів вище абсолютного нуля.
Поняття абсолютний нуль ввійшло у фізику в середині минулого століття. Випливаючи із газового закону, воно поступово поширилося на всі стани речовини, придбало фундаментальне значення для усієї фізики.
Абсолютному нулю відповідає температура -273,15 °С. Будь-яку речовину до меншої температури охолодити не можна . Іншими словами, при абсолютному нулі молекули речовини володіють найменшою можливою енергією, що уже не може бути віднята в тіла ні при якому охолодженні. При кожній спробі охолодити речовину енергії в ньому залишається усе менше і менше, але всю її речовина ніколи не зможе віддати більш холодному тілу. З цієї причини вчені не досягли абсолютного нуля і не сподіваються зробити це, хоча уже можна досягти температур порядку мільйонних часток градуса.
Дослідження при температурах, близьких до абсолютного нуля, здавна залучали до себе увагу вчених. Такі температури фізики називають кріогенними (від грецького слова " кріо "- холод ).
При кріогенних температурах відбувається багато дивного. Ртуть замерзає так, що нею можна забивати цвяхи, гума розлітається на осколки від удару молотком, деякі метали стають тендітними як скло. Усе це цікаво, але суть одержання низьких температур набагато глибше. Поводження речовини поблизу абсолютного нуля найчастіше не має нічого загального з її поводженням при звичайних температурах. Здавалося б, разом з теплом із речовини іде й енергія, а застигла речовина вже не може представляти інтересу.
Ще сторіччя назад так і вважали: абсолютний нуль - це смерть матерії. Але фізики одержали можливість працювати при наднизьких температурах , і виявилося, що область поблизу абсолютного нуля не така уже й мертва. Зовсім навпаки: тут починають виявлятися численні красиві ефекти, що при звичайних умовах, як правило, замасковані тепловим рухом атомів. Саме тут починається той світ - дивний і часом парадоксальний, котрий називається надпровідністю. Надпровідність - здатність речовини пропускати електричний струм, не роблячи йому навіть найменшого опору. Відкриттям цього унікального явища, що не має аналога в класичній фізиці, ми зобов'язані чудовому голландському вченому Гейке Камерлінг-Оннесу.
Камерлінг-Оннес проклав дорогу. По ній уже більш як 94 роки йдуть багато учених світу, і ще на довго залишиться вона оживленою магістраллю науки. Але як би далеко від початку ми не пішли, варто пам'ятати, що колись її зовсім не було на карті природознавства.
Класична теорія електромагнетизму добре пояснювала той факт, що опір електричного провідника зменшується разом з падінням температури. Схематично це пояснення полягає в наступному. Електричний струм є не що інше, як проходження вільних електронів через кристалічну решітку провідника. При кімнатній температурі теплові коливання атомів у решітці збільшують можливість зіткнення електронів з ними; це затримує потік електронів, що означає підвищення опору струму. При низькій температурі амплітуда коливань атомів зменшується, електрони зіштовхуються з атомами менш часто, і струм зустрічає менший опір . При абсолютному нулі передбачається, що коливання зовсім припиняються. Однак невеликий опір струму все-таки залишається, тому що деякі електрони усе ще будуть зіштовхуватися з тепер уже нерухомою коміркою, з дефектами і забрудненнями, що спотворюють структуру комірки у всіх кристалах. Ця модель тривалий час задовольняла фізиків. Відкриття Камерлінг-Оннеса в 1911 році показало її непридатність. Камерлінг-Оннес заморозив ртуть за допомогою рідкого гелію і пропустив через неї струм. Опір ртуті зменшувався разом з температурою. Ртуть поводилася звичайним чином до тих пір , поки температура не досягла 4,2К. Раптом електричний опір ртуті зник; не було навіть передбаченого класичною моделлю залишкового опору, який вказує на зіткнення між електронами та дефектами і домішками в кристалічній решітці (Рис. 1).
Рис. 1
Раптове зникнення опору в надпровідниках при наближенні до температури абсолютного нуля відзначено на цьому графіку пунктирною лінією. Опір надпровідних металів зменшується зі зниженням температури до деякої скінченної величини (суцільна крива).
Камерлінг-Оннес знайшов, що й інші метали, такі як олово, свинець, тантал і ніобій , теж виявляють таке ж різке зникнення опору поблизу абсолютного нуля.
Камерлінг-Оннес в 1914 році запропонував дуже хороший метод вимірювання опору. Схема експерименту виглядала досить просто (Рис. 2).
Котушку зі свинцевого провідника опускали в кріостат - пристрій для проведення дослідів при низьких температурах. На початку досліду ключ 1 був замкнутий, а 2 розімкнутий. Охолоджувана гелієм котушка знаходилася у надпровідному стані. При цьому струм, що йшов по котушці, створював навколо неї магнітне поле, що легко виявлялося по відхиленню магнітної стрілки, розташованої поза кріостатом. Потім ключ 2 замикався, а ключ 1 розмикався, так що тепер надпровідна обмотка виявлялася замкнутою накоротко. Стрілка компаса, однак, залишалася відхиленою, що вказувало на наявність струму в котушці, вже відключеної від джерела струму. Спостерігаючи за стрілкою протягом декількох годин (поки не випарувався весь гелій із посудини), Оннес не помітив ні найменшої зміни у відхиленні стрілки. "Навіть наступного дня ,- писав Оннес,- електрони продовжували свій рух. Як тільки котушку виймали з рідкого гелію, струм негайно припинявся ."По результатам досвіду Оннес прийшов до висновку, що опір надпровідної свинцевої дротини щонайменше в 1011 раз менше її опору в нормальному (ненадпровідному) стані.
Згодом аналогічні експерименти по наведенню струму і контролю його загасання в замкнутих надпровідних петлях неодноразово проводилися й іншими дослідниками. У жодному з подібних дослідів не була відзначена зміна струму. Було встановлено, що час загасання струму перевищує багато років, і з цього випливало, що питомий опір надпровідника менше ніж 10-25 Ом·м. Порівняємо це з питомим опором міді при кімнатній температурі , який становить 1,55· 10-8 Ом·м - різниця настільки велика, що без сумніву можна вважати: опір надпровідника дорівнює нулю.
Камерлінг-Оннес спочатку думав, що з освоєнням надпровідності для електротехніки почнеться золоте століття. Вже в 1913 році він публікує в журналі "Повідомлення з лейденської лабораторії" статтю, у якій пропонує побудувати потужний електромагніт з обмотками із надпровідного матеріалу. Такий магніт не споживав би електроенергії, і з його допомогою можна було б одержувати дуже сильні магнітні поля. Оннес міркував, що оскільки опір дорівнює нулю, то струм у ланцюзі відповідно до закону Ома може бути як завгодно великим. Якби так...