Изучение явления сверхпроводимости в условиях школьной лаборатории

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

 «Буревестниковская школа»

Изучение явления сверхпроводимости в условиях школьной лаборатории

Выполнила

Безбородова Мария Дмитриевна

10 класс

Научный руководитель

Старкова Евгения Евгеньевна

учитель физики

МБОУ «Буревестниковская школа»

п. Буревестник

2016г

Оглавление

Введение        

Глава I. Теоретический взгляд на явление сверхпроводимости        

1.1 Физическая сущность явления сверхпроводимости        

1.2 Условия наблюдения явления сверхпроводимости        

1.3 Роль физического эксперимента в процессе обучения        

1.4 Описание возможностей школьной физической лаборатории        

Глава II. Практическое исследование возможностей школьной физической лаборатории для наблюдения явления сверхпроводимости или условий близкие к ним        

2.1 Наблюдение сверхпроводимости.        

Заключение        

Список литературы        

Приложение        

Введение

  Физика - это очень интересная точная наука, она занимается изучением простейших и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира. В физике рассматривают множество различных явлений.

   В данной работе говорится о таком физическом явлении как сверхпроводимость.

  Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто Х.Камерлинг – Оннесом в 1911 году и названо сверхпроводимостью. Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов, так же у керамик. Далее оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением в 10-12 раз меньше, чем при комнатной температуре.

  Сверхпроводимость изучается и теоретически моделируется в курсе физики основной школы, но не демонстрируется ученикам, хотя уже давно известно, что физический эксперимент является одним из основных методов обучения физике, и демонстрация будет способствовать улучшению усвоения материала о явлении сверхпроводимости. Это актуально для учеников, так как лучшему усвоению материала способствует целый ряд факторов, таких как слуховая, механическая и зрительная память. Каждый из этих видов памяти несет большое значение в процессе обучения и отсутствие одно из них может ухудшить усвоение материала учениками, что сказалось бы на качестве их знаний. Но для того, чтобы наблюдать явление сверхпроводимости необходимо учитывать условия способствующие уменьшению сопротивления, а именно: низкие температуры, отсутствие сильного магнитного поля.

   В последние годы имеет место все более широкое использование явления сверхпроводимости для турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем. Следует также отметить важное направление в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений.

  На настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости. Это, прежде всего магнитные системы различного назначения и затем - электрические машины (прежде всего турбогенераторы).

   Возникает противоречие между необходимостью демонстрации использования физического явления сверхпроводимости и отсутствия демонстрации на уроках физики в школах.

   Из анализа этого противоречия вытекает проблема: возможно ли создать условия и наблюдать явление сверхпроводимости в школьной физической лаборатории или создать условия, позволяющие уменьшить сопротивление проводника до минимальных его значений?

   Проблема предопределила тему исследовательской работы: «Изучение явления сверхпроводимости в условиях школьной физической лаборатории».

  Цель данной работы заключается в том, чтобы узнать, возможно ли в школьной физической лаборатории создать условия и наблюдать явление сверхпроводимости и в случае отсутствия данной возможности создать условия, позволяющие уменьшить сопротивление проводника в школьной физической лаборатории до минимальных его значений.

   Объект исследования – процесс демонстрации явления сверхпроводимости.

   Предмет исследования – демонстрация явления сверхпроводимости.

  Цель данной исследовательской работы может быть достигнута в ходе решения следующих задач:

1. Теоретически описать явление сверхпроводимости.

2. Проанализировать факторы, от которых зависит сопротивление проводников.

3. Определить роль физического эксперимента в процессе изучения физики.

4. Создать модель эксперимента в условиях школьной лаборатории демонстрирующего явление сверхпроводимости.

5. Произвести оценку оборудования школьной лаборатории на возможность проведения в ней эксперимента.

6. Получить экспертное заключение о возможности наблюдения, использования для демонстрации явления сверхпроводимости ученикам старших классов.

7. Провести серию экспериментов с различными вариациями факторов влияющих на снижение сопротивления проводников.

8. Сделать выводы о возможности создания условий для наблюдения явления сверхпроводимости и демонстрации его.

Данные задачи могут быть реализованы при использовании следующих методов:

• анализ имеющейся литературы;

• теоретическое и экспериментальное моделирование физического явления;

• экспертная оценка;

• синтез полученных данных.

Экспериментальная часть была проведена в 2015 - 2016 учебном году в МБОУ «Буревестниковская школа» на базе кабинета физики.

Экспериментальная часть работы проводилась в четыре этапа. Первый – моделирование эксперимента и оценка возможности демонстрации явления сверхпроводимости в условия школьной физической лаборатории. Второй –получение экспертного заключения о возможности проведения эксперимента. Третий – эксперимент в школьной лаборатории по созданию условий для демонстрации явления сверхпроводимости или для уменьшения сопротивления проводника. Четвертый – систематизация полученных данных.

Глава I. Теоретический взгляд на явление сверхпроводимости

1.1 Физическая сущность явления сверхпроводимости

   Сверхпроводимость – физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца.

   Явление открыто в 1911 году Х.Камерлинг – Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления ртути, он обнаружил, что при температуре 4,22К ртуть практически теряет сопротивление. (см.рис.1.в приложении). Но почему так происходит? Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика – экспериментатора – Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» - по первым буквам фамилий этих физиков.

   А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения, и их можно считать фактически стационарными.

    Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание»», мы имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Однако в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате, после того, как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на недолгое

время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано – возник положительный потенциал, и к нему притягиваются все новые отрицательно заряженные электроны. Благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он, тем самым, создает благоприятные условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами, образуя куперовские пары. При сверхнизких температурах электроны образуют куперовские пары. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют сверхпроводящий конденсат. Электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего энергетически терять, а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю.

   Широко используется в технике электрические кабели для ускорителей в

CERN: сверху обычные кабели для большого электрон-позитронного

коллайдера; внизу — сверхпроводящие для большого адронного коллайдера. (см. рис.2 в приложении).

   Итак, явление сверхпроводимости по сути своей очень интересно и практически полезно и актуально, но условия его наблюдения трудны к достижению.

1.2 Условия наблюдения явления сверхпроводимости

Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Sn, Pb, Tl, Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb. В технике применяются, в основном сверхпроводники (см. рис.3 в приложении). В таблице приведены данные, указывающие, при каких температурах данные соединения применяются в качестве сверхпроводников. (см. рис.4 в приложении).

   Мы знаем, что для поддержания тока в обычных металлах, то есть при наличии сопротивления необходимо все время действовать на электроны внешней силой, обеспечивающей их движение, несмотря на силы, ему препятствующие и вызываемые столкновениями электронов с атомами металла. Необходимая внешняя сила, действующая на электрон, обеспечивается с помощью включения в цепь источника электродвижущей силы. Как только прекращается действие э. д. с. Так практически мгновенно прекращается и ток. Но если мы имеем дело со сверхпроводником, сопротивление которого практически равно нулю, то в нем нет сил, препятствующих движению электронов. Поэтому для поддержания тока в сверхпроводнике нет надобности в электрическом поле, а следовательно, не нужно поддерживать на концах каждого участка проводника разность потенциалов и поэтому излишним становится и источник э. д. с. Ток, возникший в сверхпроводнике, может сохраняться неограниченно долго и после прекращения действия э. д. с. Действительно такое удалось наблюдать. Для этой цели был осуществлен опыт Каммерлинг-Оннесом, он наблюдал после выключения магнитного поля ток, длившийся почти 4 суток. Конечно, все это время свинцовое кольцо поддерживалось при температуре около 7 К, то есть оставалось в сверхпроводящем состоянии.

   Итак, для наблюдения явления сверхпроводимости необходимо создать крайне низкие температуры. Но для наблюдения не требуется наличие постоянной электродвижущей силы.

1.3 Роль физического эксперимента в процессе обучения

   Физический эксперимент представляет собой не только иллюстрацию тех или иных явлений и закономерностей; он служит источником знаний, доказательством справедливости различных теоретических положений, способствует выработке убежденности, развивает умения и навыки учащихся. Разнообразные физические представления, полученные учащимися из организованных в классе наблюдений, и зарождающихся на их почве интерес к физике обеспечивает правильное обучение. Они делают возможным и вполне естественным переход от представлений к установлению основных физических понятий о простейших явлениях, физических величинах, приемах измерения величин, об отдельных приборах

и установках. Именно эксперимент, а не логически обоснованные и математически оформленные рассуждения часто является для них неопровержимым доказательством многих положений.

  Учебный физический эксперимент является одним из основных методов обучения физике. Материальной основой для его постановки и проведения служит учебное оборудование типового кабинета физики, состояние которого оказывает большое влияние на организацию учебного процесса и его результативность. В последние годы модернизация школьного оборудования типового кабинета физики проходит по пути внедрения новейших достижений физики и техники в обучение: замена электровакуумных приборов на полупроводниковые приборы, унификация лабораторных и демонстрационных приборов, использование кибернетических устройств.

    Использование школьного оборудования с различными методическими целями позволит осуществить большее количество опытов, расширить их содержание.

Таким образом, эксперимент в физике является очень важной, обязательной частью обучения.

1.4 Описание возможностей школьной физической лаборатории

В общеобразовательных учреждениях России действует Паспорт санитарно-технического состояния. Он предназначен для определения условий проведения учебно-воспитательного процесса, выявления кабинетов и оборудования, не соответствующих нормам и требованиям безопасности труда.

Техника безопасности при работе с аппаратурой ТСО и электроприборами описана в брошюре «Техника безопасности в кабинете физики» Шилов В. Ф. П5. В кабинете физике должен соблюдаться температурный режим, что не позволяет создание сверхнизких температур. Оборудование, представленное в рекомендациях по оснащению кабинета физики, учитывает три формы эксперимента, проведение которого регламентировано примерными программами: демонстрационный эксперимент и два вида лабораторного эксперимента, фронтальный – в основной школе на базовом уровне старшей ступени, фронтальный и лабораторный практикум – на профильном уровне. Количество экземпляров оборудования для практикума определяется конкретной схемой его проведения.

   Итак, работая с литературой по теме исследования можно сделать следующие выводы:

1. Явление сверхпроводимости по сути своей очень интересно и практически полезно и актуально.

2. Наблюдение явления сверхпроводимости возможно в определенных условиях, требующие специализированного оборудования.

3.Физический эксперимент является необходимой, важной частью процесса обучения физики в школе.

4.Школьная физическая лаборатория имеет определенные нормы и стандарты по технике безопасности и оснащения класса и физической лаборатории.

5.В условиях школьной лаборатории не удастся достигнуть условий, при которых будет возможно наблюдать явление сверхпроводимости, но возможно продемонстрировать изменение показателей сопротивления материала проводника.

Глава II. Практическое исследование возможностей школьной физической лаборатории для наблюдения явления сверхпроводимости или условий близкие к ним

   Поставив перед собой цель создать условия для наблюдения явления сверхпроводимости или условия близкие к ним, я оценила возможности школьной физической лаборатории, смоделировала и провела эксперимент в школьной физической лаборатории.

    Экспериментальная часть работы была проведена в четыре этапа.

   Первый – моделирование эксперимента. Целью первого этапа было раскрыть физическую сущность явления сверхпроводимости, оценить факторы, влияющие на сопротивление проводников, тем самым выбрать условия проведения эксперимента.

  В ходе работы я смоделировала эксперимент. Мной были выбраны материалы проводников: медь, алюминий; длины проводников: 0,39м и 0,5м; площадь поперечного сечения проводников: 1мм2 и 0,5 мм2. Температура 290 К, 275К, 268К.

  Была составлена схема электрической цепи, она была всего одна, так как в каждом из экспериментов расположение элементов цепи не должно изменяться. (см. рис.5 в приложении).

 1этап: оба проводника одинаковы по параметрам, температура различна.

 2 этап: проводники разной длины, остальные параметры идентичны.

 3 этап: проводники с разной площадью поперечного сечения, остальные параметры идентичны.

4 этап: все параметры выбраны с теми значениями, при которых будет достигнуто минимальное сопротивление проводников, основной влияющий фактор - температура.

  В школьной физической лаборатории имеются в наличии приборы, необходимы для проведения эксперимента, это амперметр, вольтметр, реостат, соединительные провода, ключ. Наличие этих приборов в школьной лаборатории обязательно, согласно рекомендациям по оснащению кабинета физики, находящимся в паспорте кабинета физики.

   Школьная физическая лаборатория по правилам техники безопасности не позволит нам провести эксперимент при температуре 275 К,268К.

  Второй этап заключался в проведении беседы с экспертами о явлении сверхпроводимости и возможности проведения эксперимента в условиях школьной лаборатории. Целью второго этапа было получить экспертную оценку реальности данной работы.

  Я провела беседу с двумя экспертами: учителем физики МБОУ «Буревестниковская школа» и кандидатом физико – математических наук Лапином Н.И. После чего получила экспертное заключение о возможности проведения моего эксперимента.

   Эксперты сказали о невозможности наблюдения явления сверхпроводимости в условиях школьной лаборатории, так ка при понижении температуры  удельное сопротивление меди постепенно понижается  при температуре несколько кельвинов , но сверхпроводником медь не становится. А алюминий переходят в сверхпроводящее состояние при температуре равной 1,18 К. (см.рис.7 в приложении).  Но подтвердили возможность создания условий для наблюдения уменьшения сопротивления проводника при изменении таких факторов как температура воздуха, материал, площадь поперечного сечения, длина проводника.

   Третий этап экспериментальной части, проведенный в 2015 -2016 учебном году, состоял в проведении эксперимента в условиях школьной лаборатории с использованием оборудования школьной лаборатории.

 1 этап: (см.рис.8 в приложении)

• проводники: медь, алюминий;

• длина проводников 0,39м;

• площадь поперечного сечения 1мм2;

• температура 290К и 275К

Я получила следующие результаты:

Медный проводник при температуре 290К:

U=0,25В;    I=0,63A;    R=U/I R=0,3 Ом.

Медный проводник при температуре 275 К:

U=0,15В;   I=0,65A;  R =0,23 Ом.

Алюминиевый проводник при температуре 290К:

U=0,2В;   I=0,55A;   R= 0,4 Ом.

Алюминиевый проводник при температуре 275К:

U=0,1В;  I=0,65A;  R= 0,2 Ом.

2 этап:

• проводники: медь, алюминий;

• длины проводников 0,39м и 0,5м;

• площадь поперечного сечения 1мм2;

• температура 290К

Я получила следующие результаты:

Медный проводник при длине 0,39м:

U=0,25В;  I=0,63A;  R =0,3 Ом

Медный проводник при длине 0,5м:

U=0,1В;  I=0,3A;  R =0,33 Ом.

Алюминиевый проводник при длине 0,39м:

U=0,2В;   I=0,55A;  R= 0,4 Ом.

Алюминиевый проводник при длине 0,5м:

U=0,17В;  I=0,4A;   R= 0,43 Ом.

3 этап:

• проводники: медь, алюминий;

• длины проводников 0,39м;

• площадь поперечного сечения 1мм2 и 0,5 мм2;

• температура 290К

Я получила следующие результаты:

Медный проводник при площади поперечного сечения 1мм2:

U=0,25В; I=0,63A;  R=U/I=0,3 Ом.

Медный проводник при площади поперечного сечения 0,5мм2:

U=0,25В;  I=0,55A;  R=U/I=0,45 Ом.

Алюминиевый проводник при  площади поперечного сечения 1мм2:

U=0,2В; I=0,55A; R=U/I=0,4 Ом.

Алюминиевый проводник при площади поперечного сечения 0,5мм2:

U=0,2В; I=0,45A;  R= 0,44 Ом

4 этап:

• проводники: медь, алюминий;

• длины проводников 0,39м;

• площадь поперечного сечения 1мм2;

• температура 268К .

Я получила следующие результаты:

Медный проводник:

U=0,1В; I=0,75A; R= 0,13 Ом.

Алюминиевый проводник:

U=0,1В;  I=1,05A; R= 0,1 Ом.

Таким образов все результаты эксперимента были сведены в таблицу

( см.рис.9 в приложении).

   Из таблицы видно, что в результате проведения экспериментов удалось, уменьшая длину проводников и увеличивая площадь их поперечного сечения, снижая температуру проводников снизить их сопротивление примерно в три – четыре раза: от 0,3 Ом до 0,1 Ом для меди и от 0,4 Ом до 0,1 Ом для алюминия.

  В результате проведения практического исследования можно сделать следующие выводы:

   1. В условиях школьной физической лаборатории не удастся наблюдать явление сверхпроводимости.

  2. Школьная физическая лаборатория позволяет создать условия, позволяющие уменьшить сопротивление проводника до минимальных его значений. В ходе эксперимента были созданы такие условия, которые способствовали уменьшению сопротивления проводников практически в 4 раза.

2.1 Наблюдение сверхпроводимости.

  Из проделанной работы мной были сделаны выводы о невозможности школьной физической лаборатории для наблюдения явления сверхпроводимости или условий близкие к ним.

  Поэтому мы с учителем физики отправились в лабораторию  НГПУ им.К.Минина. (см. рис.10 в приложении). Николай Иванович Лапин кандидат физико – математических наук нам продемонстрировал выталкивание магнитного поля из сверхпроводника – эффект Мейснера.(см.рис.11, 12 в приложении). Который был открыт в 1933 г Вальтером Мейснором и Робертом Оксенфельдом.

Заключение

    В данной работе ставилась цель: узнать, возможно ли в школьной  физической лаборатории создать условия и наблюдать явление сверхпроводимости и в случае отсутствия данной возможности создать условия, позволяющие уменьшить сопротивление проводника.

   Работая с первоисточниками, над понятиями явления сверхпроводимости и школьной физической лаборатории, я увидела, что в условиях школьной лаборатории не удастся достигнуть условий, при которых будет возможно наблюдать явление сверхпроводимости.

  В исследовательской части работы было проведено моделирование предстоящего эксперимента, в котором я выбрала условия для проведения эксперимента. Затем я провела беседу с двумя экспертами, с целью получения экспертной оценки данного исследования и предстоящего эксперимента.

  В ходе работы я провела несколько экспериментов с разными факторами, влияющими на сопротивление проводника, в итоге мной были созданы такие условия, которые способствовали уменьшению сопротивления проводников практически в 4 раза, тем самым я выполнила поставленную цель.

Список литературы

1. Павлов Ю.М., Шугаев В.А. Сверхпроводимость. М.: Просвещение, 1996. -

243 с.

2. Труды второй всесоюзной конференции по техническому использованию

сверхпроводимости. Сверхпроводимость в технике. М.: Наука, 1989. -437 с.

3. Зайцев П. Г., Орлов Н. А.. Введение в сверхпроводимость. М.: АН СССР,

1968. -384 с.

4. Гинзбург В. Л., Андрюшин Е. А. Сверхпроводимость. М.: Альфа - М,

2006.

5. Боголюбов Н. Н., Собрание научных трудов Т. 8. Теория сверхтекучести

бозе - и ферми - систем, 1946 – 1992.

6. Советский Энциклопедический Словарь

7. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики Т. 2. 1983.

8. Шилов В.Ф. Техника безопасности в кабинете физики. 2001.

9. «Паспорт кабинета физики».

10. Покровский А. А. Демонстрационные опыты по физике в 6 – 7 классах.

М.: Просвещение, 1974. -272 с.

Приложение

Рис.1 Зависимость сопротивления ртути от температуры.

Рис.2. Электрические кабели для ускорителя в CERN.

Рис. 3. Таблица сверхпроводимости некоторых материалов.

Рис.4. Фазовый переход в сверхпроводящее состояние.

Рис. 5.Экспериментальная установка.

Рис.6. Фото схемы.

Рис.7 Диаграмма температурного режима сверхпроводящего состояния нескольких материалов.

Рис. 8. Цепь для измерения сопротивления медного проводника.

Рис.9 Сводная таблица результатов эксперимента.

Рис. 10 .На фото кандидат физико – математических наук Н.И.Лапин и автор работы.

Рис.11 Наблюдение эффекта Мейснара

Рис.12 Левитация постоянного магнита над высокотемпературным сверхпроводником. (Для более четкого изображения, так как температура азота низкая, наложен фильтр)