Выступление на учебно-исследовательской конференции, Тема "сверхпроводимость"

Департамент внутренней и кадровой политики

ОГАПОУ «Белгородский машиностроительный техникум»

Доклад на учебно-исследовательскую  конференцию

«Великие умы России - великие открытия».

 Тема «Сверхпроводимость»

                       Выполнили: обуч-ся гр№23 Петров Сергей,      

                                                              Перепечаев Максим

                        Руководитель: Шахбанова В.И.

        Белгород, 2018г        

Оглавление

1.Цель работы

2.Актуальность

3. Задачи

4. Объект. Предмет.

5. Методы исследования.

6. Теоретические сведения

7. Применение

8. Выводы

Цель работы (слайд №3)

      Подробнее рассмотреть явление сверхпроводимости, его свойства, практическое применение, а также выяснить перспективы развития данной области физики и электротехники.

Актуальность. (слайд№2)

• Сегодня сверхпроводимость - это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьёзные перспективы. Большое распространение получили приборы, основанные на явлении сверхпроводимости, без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни космонавтика.

Задачи (слайд№3)

• 1)Выяснить, что собой представляет сверхпроводимость, причины его возникновения и условия возможного перехода вещества из нормального состояния в сверхпроводящее.
• 2)Объяснить причины, влияющие на разрушение сверхпроводящего состояния.
• 3)Раскрыть свойства и применение сверхпроводников.

Объект. Предмет.( слайд№4)

• Объектом данной научно-исследовательской работы является явление сверхпроводимости, сверхпроводники.
• Предметом являются свойства сверхпроводников и их применение.

Методы исследования. (слайд№;)

• Методом исследования является  анализ научной литературы.

Практическое применение. (слайд№5)

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, сверхпроводники применяются при создании вычислительных машин, для устройства модуляторов, выпрямителей, коммутаторов, измерительных приборов.

Теоретические сведения

    Сверхпроводимость -  свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Тк, характерной для данного материала. Сверхпроводимость   обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и у некоторых полупроводников. (слайд№6, №7)

Уже первые опыты с электричеством показали, что серебро, медь и алюминий хорошо проводят электрический ток, а фарфор, стекло, резина и шелк его практически не проводят. Соответственно, из первых материалов люди стали делать проводники,  а из вторых – изоляцию для проводов и защиту от поражения электрическим током. На фото вы видите современный сетевой двужильный провод. Каждая жила состоит из семи медных проволочек заключенных в пластиковую изоляцию. Учитывая, что провод работает при опасном напряжении 220В, две изолированные жилы покрыты еще одним общим слоем пластиковой изоляции.

Когда по проводнику проходит электрический ток, он разогревается. Это свойство  используют в нагревательных приборах, таких как утюг, чайник, в электробатареях, а также в лампах накаливания. На фото вы видите вольфрамовую нить, которая так разогрелась под действием тока, что начала излучать свет.

Сейчас все чаще применяют энергосберегающие люминесцентные лампы, но и в них есть маленькая нить накала для излучения электронов.

 Если по проводнику идет ток, он не только нагревается, но и создает вокруг себя магнитное поле. Это свойство первым заметил и описал в 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед. На фото вы видите, как под действием магнитного поля железные опилки выстраиваются вокруг медного проводника с током.

Магнитное поле тока используют в работе электродвигателя, генератора и электромагнита.

Итак, если по проводнику идет ток, то энергия источника тока превращается в тепловую и энергию электромагнитного поля. Иногда это нужно и полезно, а иногда просто вредно. Например, зачем нам нагревание и магнитное поле провода, которым мы подключили утюг к розетке? Греются также провода, по которым электрический ток от электростанции идет к нашим домам. Чтобы уменьшить эти потери энергии, сопротивление проводника стараются сделать как можно меньше.

Так как электрическое сопротивление образца сильно зависит от материала, из которого он сделан, температуры и геометрических размеров, решили измерять удельное сопротивление, то есть сопротивление образца из данного материала длиной 1м, площадью поперечного сечения 1мм2 при 200С. Например, удельное сопротивление меди равно r = 0,0125 Ом·мм2/м. Это значит, что если вы возьмете проводник из меди (Cu) длинной 1 м и площадью сечения 1мм2, то его сопротивление электрическому току будет 0,0125 Ом. Сопротивление дает возможность узнать, какой ток пройдет по проводнику для данного напряжения. Например, если напряжение на концах нашего образца будет равно 0,1В, то через него пойдет ток I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A. Для наглядности представим электроны в виде бегущих синих человечков.

Тогда при токе 8А за одну секунду их забежит в проводник 5·1019 (50 миллиард миллиардов!). Это почти в 70 миллиардов раз больше, чем людей на планете Земля. Обратите внимание, что выбежит из проводника их за секунду столько же. Договорились, что направление тока определяют по движению положительно заряженных частиц. Но в металлах ток проводят отрицательные электроны, поэтому направление тока показано противоположно скорости электронов. В проводнике находятся положительные ионы меди, с которыми наши электроны-человечки играются, хватая руками. Ведь между отрицательными электронами и положительными ионами существуют силы притяжения. Забрать ион с собой человечку-электрону не удастся, так как ионы намного тяжелее электронов и крепко связаны силами между собой в кристаллической решетке. А вот раскачать ионы нашим «человечкам» будет под силу. При этом электроны теряют свою скорость, а значит и энергию движения, а проводник соответственно нагревается.

История открытия (слайд№8,№9,№10,№11)

Голландский ученый Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes) решил первым в мире достичь в своих экспериментах абсолютный ноль по шкале Кельвина (примерно минус 273 градуса по Цельсию). Как вы знаете, в природе не существует температуры ниже. Сорокалетний ученый, используя свои связи с голландскими промышленниками в 1893 году начинает строительство в Лейденском университете одной из лучших лабораторий в мире, которую оснастил самым современным оборудованием. Первый успех пришел 10 июля 1908 года, когда удалось получить жидкий гелий при 5К (это - 268 градусов Цельсия!). Через 2 года напряженного труда они получают температуру 1К! И тут ученый понимает, что это предел, который можно достичь на данном оборудовании, поэтому принимается решение изменить направление научной работы. Теперь все силы были направлены на изучение физических свойств разных материалов при низких температурах. Естественно, один из пунктов программы включал измерение удельного электрического сопротивления материала. Многие ученые того времени высказывали предположение, что при очень низких температурах металлы должны стать диэлектриками. Якобы свободные электроны настолько замедлят свое движение, что «приклеятся» к ионам  и не смогут переносить электричество. Но физика – наука, прежде всего экспериментальная! Опыты Хейке Камерлинг Оннеса показали, что у платины с понижением температуры сопротивление не растет, а падает, и после 4К остается постоянным. Ученый сделал предположение, что сопротивление должно стремиться к нулю, потому что ионы прекращают колебательное движение и «не мешают» двигаться свободным электронам. Понимая, что в платине есть малые примеси, он решил проверить ртуть, самый очищенный металл, который у него был.

     В 1911 году голландский физик  Камерлинг - Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала  меняется постепенно, а затем  при температуре  4,2 К резко падает до нуля.

     Однако нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводимости. Ещё из теории Друде известно, что проводимость металлов увеличивается с понижением температуры, то есть электрическое сопротивление стремится к нулю.

В дальнейшем было выяснено, что более 25 химических элементов — металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. (слайд№12)

Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый в 1933 году, т.е. полное вытеснение  магнитного поля из материала при переходе в  сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом (слайд№13)

      Гроб Мухаммеда — опыт, демонстрирующий этот эффект в сверхпроводниках.
По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки, поэтому этот опыт называют экспериментом с «магометовым гробом». (слайд№14)

Применение сверхпроводников(слайды№15,№16,17),

Современная наука уже получила материалы, которые обладают сверхпроводимостью при 165К (минус 1070С). Если будут получены материалы обладающие сверхпроводимостью при комнатной температуре, это будет огромный скачок в развитии человечества. Ведь одну треть электроэнергии мы тратим во время её передачи от источника потребителю. Пока же сверхпроводники приходится охлаждать жидким азотом.

С другой стороны, без них уже трудно представить работу Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, и строительство термоядерного реактора ITER в Кадараше.

Сверхпроводимость характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. В результате образец, как видно на фото, зависает над магнитом.

Использование:

• быстродействующие вычислительные устройства
• детекторы магнитного поля и излучений
• оборудование для связи в микроволновом диапазоне
• быстродействующие вычислительные устройства
• детекторы магнитного поля и излучений
• оборудование для связи в микроволновом диапазоне

     Наиболее интересные возможные промышленные применения сверхпроводимости связаны с генерированием, передачей и использованием электроэнергии.

Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров.

Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). 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. Единственная в мире действующая пассажирская магнитно-левитационная (но не сверхпроводящая) железнодорожная линия протяженностью 30,5 км расположена в Китае.

        В перспективе возможны проекты совместной прокладки криотрубопроводов и железных дорог. 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. Данные технологии, как известно, способны  кардинальным образом изменить облик мировой энергетической системы. (слайд№18)

 Мощные магниты на сверхпроводниках используют в медицине при создании томографов, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Сканирование тканей человека позволяет врачам увидеть на экране компьютера срез внутренностей, не оперируя больного. Такой метод позволяет быстро поставить правильный диагноз, а значит быстрее вылечить пациента.

Выводы

Современная квантовая теория сверхпроводимости принципиально не ограничивает значение температуры, при которой наблюдается этот эффект. Значит дело за созданием новых материалов и соединений, которые, возможно,  в скором будущем откроете вы.

Список используемой литературы

1. Захарова Е. И., Суюндиков М. М. Применение высокотемпературной сверхпроводимости в металлургической промышленности [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы V Междунар. науч. конф. (г. Москва, январь 2016 г.). — М.: Буки-Веди, 2016. — С. 23-29. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/164/9257/ (дата обращения: 02.02.2018).

2.J. Kellers et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 17, 2121 (2015). Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2007. — Том 4, выпуск 6. — С. 7. H. Kasahara et al., J. Cryog. Soc. Jap., 42, 395 (2007). Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2015. — Том 4, выпуск 3. — С. 2–3. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2015. — Том 10, выпуск

2. — С. 3. Superconductor Week, 19, no. 12 (2005). N. Magnusson, M. Runde, J.

Phys.: Conf. Ser., 43, 1019 (2006). Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2007. — Том 4, выпуск 6. — С. 8. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2014. — Том 8, выпуск 1. — С. 7–8.