Перспективы применения сверхпроводников в науке и технике

Дата: 2025-06-14; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Школа № 1558 имени Росалии Де Кастро

Перспективы применения сверхпроводников в науке и технике

Учащийся: И.Д. Аксенов

Класс: 10 «А»

Куратор: Озерова Н. В.

Консультант(ы): Озерова Н. В.

Количество слов: ______2343______

Содержание

страница

Введение……………………………………………………………………………………3

Глава 1. Явление сверхпроводимости………………………………………4

1.1. История открытия явления сверхпроводимости………………5

1.2. Физические эффекты, сопровождающие явление сверхпроводимости………………………………………………………………5

1.3. Физические основы теории сверхпроводимости………………6

Глава 2. Применение сверхпроводников…………………………………7

2.1. Применение сверхпроводников в настоящее время………..7

2.2. Перспективы использования сверхпроводников………………10

Заключение…………………………………………………………………………………11

Список литературы……………………………………………………………………..11

Радость видеть и понимать - есть самый прекрасный дар природы

А. Эйнштейн

ВВЕДЕНИЕ

Одним из интересных явлений, наблюдаемых при исследовании проводниковых свойств материалов при низких температурах, является явление сверхпроводимости. В последнее время явление сверхпроводимости находит очень широкое применение в различных областях науки и техники. Работа ускорителей элементарных частиц, движение поездов на магнитной подушке, работа медицинских томографов, передача электрической энергии без потерь, протекание процессов термоядерного синтеза были бы невозможны без сверхпроводников.

Двадцатый век называли веком полупроводниковых материалов. Японцы говорили, что в двадцатом веке кремний правит миром! Именно на его основе возможно было создание не только различного рода дискретных полупроводниковых приборов, но и полупроводниковых интегральных микросхем, которые являются неотъемлемой частью микропроцессорной техники. Но ХХ1 век, по мнению многих ведущих ученых мира, станет веком сверхпроводников. Уже сейчас виден большой рост их потребления и расширение областей их использования. В связи с чем, предлагаемая работа, основной целью которой является знакомство с явлением сверхпроводимости, выявление перспектив и способов его использования является актуальной. Основными задачами, в связи с этим являются: 1. Ознакомление с историей открытия явления сверхпроводимости. 2. Изучение эффектов, сопровождающих это явление и их характеристик. 3. Ознакомление с теорией явления сверхпроводимости. 4. Изучение применения сверхпроводников в настоящее время и перспектив их использования в будущем.

ГЛАВА 1. ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

1.1 История открытия явления сверхпроводимости

Физической причиной существования сопротивления в металлах при протекании электрического тока в них является взаимодействие электронов с узлами кристаллической решетки и примесями. С ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний узлов кристаллической решетки, растет вероятность столкновения электронов с ними, что приводит к росту электрического сопротивления. Понижение температуры заметно уменьшает значения удельного электрического сопротивления и сопротивления металлических проводников в целом. Однако до конца ХIХ в. нельзя было провести исследования зависимости сопротивления проводниковых материалов при низких температурах, так как не была разработана технология их получения. Только в начале ХХ в. голландскому ученому Каммерлинг –Оннесу удалось превратить в жидкое состояние трудно конденсируемый газ гелий при температуре 4,2 К. За этой технологии он получил нобелевскую премию. В 1911 году работа Каммерлинг-Оннеса завершилась крупнейшим открытием. Исследуя сопротивление ртути при ее охлаждении, он обнаружил, что при температуре жидкого гелия сопротивлении ртути скачком упало до нуля. Явление полной потери сопротивления некоторых материалов при определенной температуре, называемой критической, получило название сверхпроводимости, а материалы, в которых возникает это явление сверхпроводниками. За свои эксперименты при низких 1ю2прозвище «Абсолютный нуль». Интерес к явлению сверхпроводимости и возможности его практического использования способствовал поиску новых материалов. К 1987 году были известны сверхпроводники, обладающие более высокой температурой перехода материала в состояние сверхпроводимости (рис1.1). Однако их критические температуры, хотя и были выше, чем у ртути, но также требовали использования дорогого по производству и жидкого гелия

Рис.1.1 Примеры сверхпроводников

В апреле 1986 г. в журнал физического общества «Zeitschrift fur Physik» поступила статья швейцарских ученых Георга Беднорца и Карлоса Мюллера, в которой сообщалось об открытии нового класса сверхпроводников — керамик из лантана, бария, меди и кислорода. Эта работа была удостоена нобелевской премии и сравнительно быстро привлекла внимание физиков и химиков из многих лабораторий мира.

Создание новых сверхпроводящих керамик и изучение их свойств подобно «золотой лихорадке» охватило ведущие исследовательские центры уже в конце 1986 г. Сенсационные результаты, возбуждавшие фантазию не только специалистов, но и широкой общественности, следовали друг за другом и, наконец, в феврале 1987 г. в США были синтезированы первые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Высокотемпературными сверхпроводниками называют материалы с критической температурой перехода более 77К, температурой жидкого азота, который значительно дешевле гелия. Сжижение азота производится непосредственно из

воздуха, а испаряющийся в процессе кипения газ, вновь уходит в атмосферу.

С этими обстоятельствами и связаны многолетние надежды физиков и инженеров — получить сверхпроводники с критической температурой, большей 77 К. Открытие в 1987 году «скачка проводимости почти до нуля» при температуре 36К (-237°C) у соединений лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) стало началом. Затем впервые было открыто свойство соединения иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O) проявлять сверхпроводящие свойства при температуре 77,4К (-195,6°C), превышающей температуру кипения жидкого азота.

В 2003 году открыли керамическое соединение Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), имеющее критическую температуру 138К (-135°C), и доходящую до 166К (-107°C) при давлении 400 килобар, а в 2015 году был установлен новый рекорд для сероводорода (H2S), который стал сверхпроводником при давлении в 100 ГПа, при температуре не превышающей 203К (-70°C). Теоретически предсказана возможность получения сверхпроводящих материалов при комнатной температуре.

1.2 Физические эффекты, сопровождающие явление сверхпроводимости

Нулевое электрическое сопротивление

. Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю. Это было продемонстрировано в ходе эксперимента, где в замкнутом сверхпроводнике (свинцовом кольце) был индуцирован электрический ток, который протекал в нём без затухания в течение 2,5 лет (эксперимент был прерван забастовкой рабочих, подвозивших криогенные жидкости), в то время как в обычных проводниках в отсутствии источника тока он затухает практически мгновенно. Это объясняется тем, что при сопротивлении проводника, равным нулю, отсутствуют потери, которые согласно закону Джоуля-Ленца прямо пропорциональны электрическому сопротивлению.

Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов вблизи поверхности сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, магнитному полю и компенсирующее его.

,

Рис.1.2 Схема эффекта Мейснера. Показаны линии магнитного поля и их вытеснение из сверхпроводника, находящегося ниже своей критической температуры

О наблюдении эффекта Мейснера сообщили в 1933 году немецкие физики Мейснер и Оксенфельд. При поиске новых сверхпроводников проверяются оба главных свойства сверхпроводников: обращение в ноль электрического сопротивления и эффект Мейснера. Эффект Мейснера демонстрирует весьма оригинальный опыт, представленный на рис1.3.: постоянный магнит парит над сверхпроводящей чашечкой. Впервые такой опыт осуществил советский физик В.К. Аркадьев.в 1945году. Возникающие в сверхпроводнике поверхностные токи создают магнитное поле, которое отталкивает постоянный магнит и компенсирует его вес. Такой парящий магнит напоминает одну из легенд о гробе религиозного пророка Магомеда. Гроб был помещен в пещеру и там парил без всякой опоры. Поэтому эффект Мейснера иначе называют иногда эффектом гроба Магомеда.

Рис. 1.3. Постоянный магнит длиной несколько сантиметров парит на расстоянии чуть больше 1 см над дном сверхпроводящей чашечки, поставленной на три медные ножки. Ножки стоят в жидком гелии, а чашечка находится в парах гелия для поддержания сверхпроводящего состояния

1.3. Физические основы теории сверхпроводников

При сверхнизких температурах электроны практически не испытывают сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла. Но почему так происходит? Это оставалось тайной до тех пор, пока в 1957 году три американских физика: Бардин, Купер и Шриффер не дали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков. За эту теорию они в 1972 году получили нобелевскую премию.

БКШ теория базируется на квант механических эффектах, происходящих в металлических сверхпроводниках при низких температурах. Явление сверхпроводимости, согласно этой теории, объясняется возникновением силы притяжения между электронами и созданием, так называемых, куперовских пар. При низких температурах они двигаются, как бы огибая узлы кристаллической решетки, перенося электрический ток без потерь энергии. Размеры таких пар в атомном масштабе велики. Они могут достигать сотен или тысяч межатомных расстояний.

Рис. 1.4 Куперовская пара

А вот природа высокотемпературной сверхпроводимости, наблюдаемой не в металлах, а в керамических материалах, остается загадкой. Существует, по крайней мере, не менее двадцати противоречащих друг другу теорий, претендующих на объяснение высокотемпературной сверхпроводимости, но единственной и правильной пока нет.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

2.1. Применение сверхпроводников в настоящее время

1.) Эффект Мейснера, а также способность сверхпроводников создавать мощные и устойчивые магнитные поля нашло применение их в высокоскоростном транспорте.

В начале 1970-х был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта Бирмингема и железнодорожной станцией города (проработал до 1995-года).
Суть технологии проста: состав удерживается над дорожным полотном силой электромагнитного поля. Она же толкает состав вперед — включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных — притягивает. Быстрое попеременное включение таких магнитов создает постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Благодаря отсутствию трения маглевы (от слов магнитная левитация) способны разгоняться до 500-600 км/ч.
Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения. Дело в том, что она слишком дорогая. Скажем, шанхайский маглев-аэроэкспресс (в коммерческой эксплуатации с 2004 года) приносит убыток в 93 млн долларов ежегодно.

2) Способность сверхпроводников создавать при температурах ниже критических сильные магнитные поля используется в медицине в такой медико-диагностической процедуре, которая называется МРТ и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Взаимодействие магнитного поля с тканями человека дает возможность врачу получать информацию о состоянии этих тканей в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

Рис. 1.5 Томограф

3) Отсутствие электрического сопротивления позволяет использовать сверхпроводники для эффективной передачи электроэнергии. Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют от 10 до 40% передаваемой энергии. Ограничивающим фактором использования сверхпроводников для этих целей является необходимость поддержания проводника при низкой температуре на больших расстояниях, что требует в свою очередь затрат энергии.
Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Кабели на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. Они 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.

Самый длинный в мире сверхпроводящий кабель официально введён в эксплуатацию в Германии. «Суперпроводник» длиной около одного километра соединил две трансформаторные подстанции

4) Большое применение находят сверхпроводники в силовых электротехнических устройствах, таких как трансформаторы, генераторы, электрические двигатели. Высокая плотность тока в них позволяет уменьшить в два-три раза габариты и массу оборудования по сравнению с традиционными аналогами, что является немаловажным для различного рода летательных аппаратов, в том числе космических. Уменьшается также уровень шумов, вибрации, а КПД генераторов и двигателей на основе ВСТП значительно выше.

5). Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.
Именно такая технология используется для строительства термоядерного реактора ИТЕР во Франции. В этом проекте принимает участие и Россия, причем именно она была ответственна за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для создания того самого электромагнитного поля, «укрощающего» плазму. Как предполагается, опробованы магниты будут во время первого запуска реактора в 2025 году.

6) Магнитные сверхпроводниковые системы являются сердцем любого ускорителя элементарных частиц (коллайдера). Именно магнитное поле под действием силы Лоренца, отклоняет частицу от прямолинейного движения, заставляя двигаться ее по окружности определенного радиуса.

. Для создания мощнейших магнитных полей используются низкотемпературные сверхпроводники, которые работают при температуре (-273 С). В знаменитом БАК (большом андронном коллайдере), где длина кольца коллайдера составляет около 27 км, проложено несколько сотен тысяч самых разных сверхпроводящих кабелей из ниобий-титана, их общий вес около 1200 тонн. В новом ускорительном монстре вес достигнет 9000 тонн, а общая длина, по разным оценкам, превысит миллион километров. Из 9000 тонн треть должны быть выполнена из сплавов ниобий-титана, а остальная из сплава ниобий-олова. Именно эти материалы позволят достичь на коллайдере мощных магнитных полей в 16 тесла, что в 200 тысяч раз больше магнитного поля Земли.

Этот кольцевой коллайдер будущего, который планируется построить в Швейцарии в начале 2040-х годов, является важнейшим проектом мирового научного сообщества. Он позволит учёным вывести на новый уровень фундаментальные исследования в области физики элементарных частиц. В частности, коллайдер поможет понять природу загадочной тёмной материи, возникновение асимметрии вещества и антивещества в наблюдаемой Вселенной, а также разобраться в других вопросах за рамками так называемой Стандартной модели современной физики. Россия в лице Росатома входит в число мировых лидеров в области сверхпроводимости и является одной из немногих стран, обладающих необходимыми научно-техническими компетенциями. Наши учёные и инженеры сумели в сжатые сроки разработать технологию и изготовить образцы продукции, отвечающей самым строгим мировым стандартам.

2.2. Перспективы использования сверхпроводников

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. В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые

времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько сантиметров можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, и при этом с очень малыми потерями. Более того, в связи с неизбежным изменением географии основных центров источников энергии (например, нефть/газ в районе шельфа и континентальной части Северного Ледовитого океана и Антарктиды, солнечная энергия – пустыни Африки и Австралии и т.д.), солнечная энергия – пустыни Африки и Австралии и т.д.), сопровождаемым отдалением от основных центров потребления, проблема повышения передаваемой мощности на большие расстояния при минимизации потерь становится всё более актуальной.

Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно привлекательны для применения на флоте – как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов и обладают высокой тягой даже на низких оборотах. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает КПД силовой установки. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах, и на автомобильном транспорте. Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. Предполагается, что линия длиной 290 км соединит Токио и район в центральной Японии. Используемая технология подразумевает использование электродинамической подвески на сверхпроводящих магнитах, установленных как на поезде, так и на трассе. Тестовые испытания были успешно проведены еще в 2003 г., в их ходе был поставлен мировой рекорд скорости передвижения поезда (581 км/час). 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 (токамаки). Данные технологии, как известно, способны кардинальным образом изменить облик мировой энергетической системы.

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.