Сверхпроводники

У многих металлов и сплавов при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю

(-273ºС), наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления практически до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости. Эффект сверхпроводимости обнаружен минимум у 27 металлов. В принципе свойство сверхпроводимости характерно практически для всех материалов.

Протекание тока в проводниках всегда связано с потерями энергии, т.е. с переходом энергии из электрического вида в тепловой вид. Согласно классической электронной теории движение носителя заряда происходит в электрическом поле равноускоренно до столкновения с дефектом структуры или с колебанием решетки. После столкновения, если оно неупругое, как столкновение двух пластилиновых шариков, электрон теряет энергию, передавая ее решетке из атомов металла. В этом случае принципиально не может быть сверхпроводимости. Оказывается, сверхпроводимость появляется только при учете квантовых эффектов. Если учесть, что электрон может поляризовать ближайшим к нему атом решетки, т.е. чуть-чуть притянуть его к себе за счет действия кулоновской силы, то этот атом решетки чуть-чуть сместит следующий электрон. Образуется как бы связь пары электронов. При движении электрона, второй компонент пары, как бы воспринимает энергию, которую передает электрон атому решетки. Получается, что если учесть энергию пары электронов, то она при столкновении не меняется, т.е. потери энергии электронов не происходит! Такие пары электронов называются куперовскими парами.

Сверхпроводимость была обнаружена в экспериментах при сверхнизких температурах, вблизи абсолютного нуля температур. По мере приближения к абсолютному нулю колебания решетки замирают.

Сверхпроводимость обнаружили по двум явлениям: во-первых, по факту исчезновения электрического сопротивления, во-вторых, по диамагнетизму. Первое явление понятно – если пропускать определенный ток I через проводник, то по падению напряжения U на проводнике можно определить сопротивление R = U/I. Исчезновение напряжения означает исчезновение сопротивления как такового.

Второе явление требует более подробного рассмотрения. Если рассуждать логически, то отсутствие сопротивления тождественно абсолютной диамагнитности материала. Действительно, представим себе небольшой опыт. Будем вводить сверхпроводящий материал в область магнитного поля. Согласно закону Джоуля-Ленца, в проводнике должен возникать ток, полностью компенсирующий изменение магнитного потока, т.е. магнитный поток через сверхпроводник как был нулевым, так и остается нулевым. В обычном проводнике этот ток затухает, т.к. у проводника есть сопротивление. Только после этого в проводник проникает магнитное поле. В сверхпроводнике он не затухает. Это означает, что протекающий ток приводит к полной компенсации магнитного поля внутри себя, т.е. поле в него нк проникает. С формальных позиций нулевое поле означает, что магнитная проницаемость материала равна нулю , т.е. тело проявляет себя абсолютным диамагнетиком.

В сверхпроводниках протекание тока не сопровождается потерями энергии, т.к. нет сопротивления. Кроме того, внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводник, а огибает его. Т.е. они являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью и поэтому выталкиваются из магнитного поля.

Состояние сверхпроводимости разрушится:

1) повышением температуры;

2) сильным внешним магнитным полем;

3) большой плотностью тока.

Возможное применение сверхпроводимости:

- линии электропередач без потерь;

- получение сверхсильных магнитных полей;

- электрические машины со сверхпроводящими обмотками;

- измерительные приборы высокой точности;

- сверхпроводящий индуктивный накопитель.

Явление выталкивания сверхпроводников из магнитного поля положено в основу транспорта на магнитной подушке.

Существует даже несколько проектов компьютеров на сверхпроводниках. Актуальность проблемы микроминиатюризации с помощью полупроводников заключается в том, что даже малое выделение энергии в очень малом объеме может привести к значительным перегревам и остро встает проблема отвода тепла.

Эта проблема особенно актуальна для суперкомпьютеров. Оказывается, в микрочипах локальные тепловые потоки могут достигать значений киловатт на квадратный сантиметр. Убрать тепло обычными путями, с помощью обдува воздухом не удается. Предложили убрать корпуса микросхем и обдувать непосредственно микрокристалл. Здесь возникла проблема слабой теплопередачи в воздух. Следующим шагом предложили залить все жидкостью и отводить тепло кипячением жидкости на этих элементах. Жидкость должна быть очень чистой, не содержать микрочастиц, не вымывать ничего из многочисленных элементов компьютера. Пока эти вопросы полностью не решены. Исследования проводятся с фторорганическими жидкостями.

В сверхпроводниковых компьютерах таких проблем нет, т.к. нет потерь. Однако само охлаждение оборудования до криогенных температур требует немало затрат. При этом, чем ближе к абсолютному нулю – тем больше затраты. Причем зависимость нелинейная, она даже сильнее, чем обратно пропорциональная зависимость.

Температурную шкалу в криогенной области условно делят на несколько областей по температурам кипения сжиженных газов: гелиевая (ниже 4,2 К), водородная 20,5 К, азотная 77 К. Поэтому сверхпроводящие материалы, работающие при гелиевых температурах, хотя были открыты более 80 лет назад, до сих пор не нашли применения в энергетике.

Можно отметить, что очередные попытки разработать действующее криогенное устройство предпринимаются после каждого из прорывов в технологии. Прогресс в технологии привел к тому, что появились сплавы, которые обладали лучшими характеристиками по критическим индукции и температуре. Так в начале 70-х годов был бум по исследованию станнида ниобия Nb₃Sn. У него B_с=22 Тл, а Т_с=18 К. «Простые» сверхпроводники получили название сверхпроводников первого рода, а «сложные» - сверхпроводников второго рода.

Новые интерметаллические соединения не обладают пластичностью металлов, поэтому попутно решался вопрос, как делать протяженные элементы типа проводов из хрупких материалов. Разработали несколько вариантов, в том числе создание композитов типа слоеный пирог с пластичными металлами, например медью, нанесение интерметаллов на медную подложку и т.п., что пригодилось при разработке сверхпроводящей керамики.

Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиках состояла в том, что в системах содержащих вещества с переменной валентностью возможна сверхпроводимость, причем при более высоких температурах. Были исследованы двойные системы, т.е. состоящие из двух разных оксидов. Здесь не удалось найти сверхпроводимость. И только в тройных системах BaO-La₂O₃-CuO в 1986 г была обнаружена сверхпроводимость при температуре 30-35 К. за эту работу Беднорц и Мюллер получили Нобелевскую премию в следующем, 1987 г. Интенсивные исследования родственных составов в течение года привели к обнаружению сверхпроводимости в системе BaO-Y₂O₃-CuO при температуре 90 К. В 1999 году в Японии введен в пробную эксплуатацию сверхпроводящий кабель, соединяющий две станции метро. Кабель сделан по технологии «сэндвича», т.е. хрупкая керамика в нем находится между двумя слоями упругой и пластичной меди. Изоляцией и одновременно, хладоагентом, является жидкий азот.

Дата добавления: 2015-04-24