Сверхпроводниковые технологии: настоящее применение и перспективы
/
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 sverhprovodimost.docx | 24.07 КБ |
Предварительный просмотр:
Зелепукина Ирина
10 класс МБОУ СОШ №3
г. Усмани Липецкой области
Сверхпроводниковые технологии: настоящее применение и перспертивы
Человечество стоит на пороге очередного технологического прорыва, способного перевернуть привычный всем нам мир. Масштабы новой индустриальной революции могут сравнится с тем, как изменился образ жизни людей после обнаружения замечательных свойств полупроводников.
Уже исполнилось 100 лет со времени открытия явления сверхпроводимости и 50 лет с тех пор, когда зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии. Их использование позволило создать такие уникальные исследовательские установки, как ускорители заряженных частиц на сверхвысокие энергии, детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц, установки для термоядерных исследований с магнитным удержанием горячей плазмы, лабораторные сверхпроводящие магнитные системы, ответственные устройства специальной техники, измерительные приборы рекордной чувствительности и точности.
Как известно, атомы проводников постоянно колеблются и задевают электроны, из-за этого энергия электрического тока падает, и, чем выше температура, тем сильнее колебание атомов, и тем выше сопротивление. Т.е, если температура ниже, то и сопротивление меньше. Получив в 1908 жидкий гелий, Г.Камерлинг-Оннес из Лейденского университета стал измерять сопротивление чистой ртути, погруженной в жидкий гелий, и обнаружил (1911), что при температурах жидкого гелия сопротивление ртути падает до нуля. Позднее было установлено, что многие другие металлы и сплавы тоже становятся сверхпроводящими при низких температурах. Следующее важное открытие было сделано в 1933 немецким физиком В. Мейсснером и его сотрудником Р. Оксенфельдом. Они обнаружили, что если цилиндрический образец поместить в продольное магнитное поле и охладить ниже температуры перехода, то он полностью выталкивает из себя магнитный поток. Эффект Мейсснера, как назвали это явление, был важным открытием, поскольку благодаря ему физикам стало ясно, что сверхпроводимость - квантово-механическое явление. Если бы сверхпроводимость заключалась только в исчезновении электрического сопротивления, то ее можно было пытаться объяснить законами классической физики.
Итак, сверхпроводимость – свойство, которое проявляется у некоторых материалов в виде резкого падения удельного электрического сопротивления вплоть до нуля при температуре ниже определённого значения. А вещества, в которых это явление наблюдается – сверхпроводники. У сверхпроводников есть уникальное свойство – они отталкивают любое магнитное поле, т.е. любой магнит будет парить над сверхпроводником. Например, если мы возьмем кусочек сверхпроводящей керамики и охладим его жидким азотом, мы будем наблюдать очень интересное явление. Итак, если залить этот кусочек жидким азотом, азот начнет кипеть, это означает, что наш сверхпроводник охлаждается, и когда азот перестанет кипеть, это будет означать, что керамический кусочек все-таки охладился до температуры жидкого азота. Если сверху на наш кусочек положить магнитик, то после охлаждения кусочка до нужной температуры, магнит резко начинает левитировать. Почему же это происходит? Потому, что он создает внутри нашего сверхпроводника электрический ток, а этот ток, в свою очередь, создает магнитное поле, направленное противоположно полю нашего магнита и компенсирующее его, это поле не затухает, поскольку никаких энергетических потерь на нагревание в нашем проводнике нет.
Существуют проводники 1 и 2 рода. Разберем подробнее, что же это такое? Итак, для сверхпроводников 1 рода характерны скачкообразный перевод в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значение критической температуры и критической напряженности магнитного поля у них малы, что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников 1 рода характерен эффект Мейснера, разобранный выше. Сверхпроводниками 1 рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Низкие значения критической напряженности у сверхпроводников 1 рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию. Сверхпроводники 2 рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники 1 рода, а в некотором интервале температур. Значение критической температуры и критической напряженности у них больше, чем у предыдущих, для них различают нижнее критическое поле и верхнее критическое поле. При достижении магнитным полем величины нижнего магнитного поля, начинается проникновение магнитного поля в сверхпроводник, и электроны, под влиянием силы Лоренца, начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити. Ствол нити остается нормальным, несверхпроводящим металлом, вокруг которого движутся электроны, обеспечивая сверхпроводимость. В результате материал обладает как сверхпроводящей составляющей, так и нормальной проводимостью, в таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля и достижении более высоких значений верхнего критического поля, нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. При достижении критического значения верхнего критического поля, магнитное поле полностью проникает в объем сверхпроводника. Довольно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля. Все интерметаллические соединения относятся к сверхпроводникам 2 рода. Однако, любой сверхпроводник 1 рода можно превратить в сверхпроводник 2 рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки.
Интересно, возможно ли промышленное применение сверхпроводимости? Безусловно. Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной. Еще одно возможное применение сверхпроводников - в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии, в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии. Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда. За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске в Японии и Германии достигли скоростей, близких к 300 км/ч.
В настоящее время изучено свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. Различают низкотемпературную, высокотемпературную и комнатную сверхпроводимость, соответствующие температурам сверхпроводящего перехода до 30 К, выше 77 К (температура жидкого азота) и 293 К (комнатная температура).
Выделяют три больших области использования сверхпроводников:
различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.; микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей (SQUID), цифровая электроника, искусственные биологические системы; макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.
Настоящее сверхпроводниковых технологий:
Сверхпроводящие магниты
Впервые сверхпроводимость была применена при создании магнитов с высокими критическими полями. В 2007 году ученым из Госудаственного универститета Флориды в сотрудничестве с компанией SuperPower inc. с помощью сверхпроводниковой катушки был достигнут рекордный показатель индукции магнитного поля: 26,8 Тесла. Разработка такого магнита даст большой толчок во многих областях науки, таких как физика, биология и химия, а также позволит сократить стоимость производства и использования мощных магнитов.
Электроника
Еще одно практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести применяются в различных областях геофизики. Новая электронная техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.
Медицина
На сегодняшний день основные сферы применения сверхпроводимости - это медицинские установки магнитно-резонансной терапии (именно в этих аппаратах впервые удалось эффективно использовать данное явление).
Ближайшее будущее сверхпроводниковых технологий:
Компьютеры
Сверхпроводимость будет широко использоваться 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.
Передача энергии
Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии.
Генерация энергии
Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.
Сверхпроводниковые устройства в коммерческом и военном флоте
Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает к.п.д. силовой установки.
Железные дороги
За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большую скорость. Лидером в области применения сверхпроводимости на железной дороге является Япония. В Японии разработки данного направления ведутся уже около 20 лет, за это время выпущено около 10 модификаций поездов. Согласно данным известного в Европе консорциума Conectus, специально созданного в целях изучения и пропаганды возможностей коммерческого использования явления сверхпроводимости, международный рынок оборудования, использующего это явление к 2010 году составил 5 млрд. $ и вырастит до 38 млрд. $ к 2020 году.
Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что будущее сверхпроводниковых технологий – наше ближайшее будущее.
Источники:
1.http://krugosvet.ru
3. http://revolution.allbest.ru
4. http://knowledge.allbest.ru
10. http://relga.ru
Зимний лес в вашем доме
Хризантема и Луковица
Денис-изобретатель (отрывок)
Алые паруса
Пока бьют часы