Сверхпроводники в НТП

Сверхпроводники в НТП

Введение

сверхпроводник фазовый переход джозефсон Начав изучение физики с явлений в макроскопических системах, человек приобретает ряд «классических предрассудков», ему очень хочется сохранить для микромира понятие размера, траектории, цвета и т. п. А между тем, квантовая физика очень сильно отличается от физики в макромире, к которому мы так привыкли. Но, как сказал Л. Д. Ландау, «величайшим триумфом человеческого гения является то, что человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить». Не смотря на то, что это явление впервые открыли в 1911 году, оно до сих пор занимает умы многих ученых всего мира, попробуем разобраться по порядку.

Сегодня мы познакомимся с увлекательным явлением физики — сверхпроводимостью.

Цель проекта: доказать, что явление сверхпроводимости имеет практическое применение в жизни и его изучение актуально.

Задачи проекта:

· Изучить историю открытия сверхпроводимости.

· Разобраться с классификацией сверхпроводников.

· Найти все теории, описывающие сверхпроводимость и опыты, демонстрирующие явление сверхпроводимости.

· Изучить эффект Джозефсона и его значение в электронике.

· Рассмотреть все области возможного применения ВТСП.

Гипотеза — так как сверхпроводимость затрагивает многие аспекты жизни человека, то будущее за ними.

Метод исследования: анализ литературы, публикаций статей на тему сверхпроводимости.

Глава 1. История сверхпроводников Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород. В 1911 году голландский физик Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он проводил измерения электрического сопротивления ртути при низких температурах. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить «тепловой шум», т. е. уменьшить температуру.

Результат этого исследования оказался неожиданным: при температуре ниже 4,15 К сопротивление почти мгновенно исчезло. (рис.1)

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками Нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Но почему всё так происходит? Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга—Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908;1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков, но о ней мы поговорим позднее.

Из вышесказанного становится понятно, что сверхпроводник — это такой проводник, сопротивление которого равно нулю, а его «первооткрывателями» были Вальтер Мейснер Джон Бардин Леон Купер и Джон Роберт Шриффер

Глава 2. Классификация сверхпроводников Существует несколько критериев для классификации сверхпроводников. Вот основные из них:

· По их отклику на магнитное поле: они могут быть I рода, что значит, что они имеют единственное значение магнитного поля, Hc, выше которого они теряют сверхпроводимость. Или II рода, подразумевающего наличие двух критических значений магнитного поля, Hc1 и Hc2,. При приложении магнитного поля в этом диапазоне происходит частичное его проникновение в сверхпроводник с сохранением сверхпроводящих свойств.

· По их критической температуре: низкотемпературные, если Tc > 77 K (ниже температуры кипения азота), и высокотемпературные.

· По материалу: чистый химический элемент (такие как свинец или ртуть, однако не все элементы в чистом виде достигают сверхпроводящего состояния), сплавы (например, NbTi), керамика (например, YBCO, MgB2), органические сверхпроводники.

Сверхпроводники первого рода — это чистые вещества, у которых наблюдается полный эффект Мейснера (поля меньше 105 А/м). Сверхпроводники второго рода — это вещества, в которых эффект Мейсснера проявляется частично (поля больше, чем 107 — 108 А/м). Магнитное поле в них распределено в виде отдельных нитей, а сопротивление равно нулю.

К сверхпроводникам второго рода относятся в основном сплавы (из чистых металлов только ниобий, ванадий и технеций). Сверхпроводники третьего рода — это «жесткие» сверхпроводники в основном сплавы и химические соединения сверхпроводнков 2-го рода, содержащие дефекты структуры, служащие местами закрепления вихрей (центров пининга). Вихрь — это область сверхпроводника, в которую проникает внешнее магнитное поле. Каждый вихрь — это элементарный квант магнитного потока. Вихри образуют симметричную решетку, которая при жестком закреплении обеспечивает у сверхпроводников 3-го рода возможность получения больших критических токов. Например, в проводнике из станнида ниобия Nb3Sn в полях с В=10 Тл плотность тока может быть более 109 А/м2.

Сверхпроводники 1-го рода могут существовать в сверхпроводящем или нормальном состоянии, а сверхпроводники 2-го рода в одном из трех состояний — в сверхпроводящем, смешанном или нормальном. Сверхпроводящие вихри, как показано на рисунке., окружают сердцевины с нормальной проводимостью. Вертикальные линии — пронизывающие сердцевины магнитный поток. Поверхностный ток обеспечивает общий диамагнетизм сверхпроводника.

Глава 3. Теория сверхпроводимости

3.1 Фазовый переход в сверхпроводящее состояние Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Й рода в отсутствие магнитного поля теплота перехода (поглощения или выделения) из сверхпроводящего состояния в обычное равна нулю, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ЙЙ рода.

Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Тс — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2) у низкотемпературных сверхпроводников (Тс ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников.

В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg?1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры — 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К). В 2000 г. было показано, что небольшое фторирование упомянутой выше ртутной керамики позволяет поднять критическую температуру при обычном давлении до 138 К.

3.2 Эффект Мейснера. «Гроб Магомета»

В 1913 г. немецкие физики Мейснер и Оксенфельд решили экспериментально проверить, как именно распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. результат оказался неожиданным. Независимо от условий проведения эксперимента магнитное поле внутрь проводника не проникало. Поразительный факт заключался в том, что сверхпроводник, охлажденный ниже критической температуры в постоянном магнитном поле, самопроизвольно выталкивает это поле из своего объема, переходя в состояние, при котором магнитная индукция В=0, т. е. состояние идеального диамагнетизма. Это явление получило название эффекта Мейнера. Многие считают, что эффект Мейнера, является наиболее фундаментальным свойством сверхпроводников. Действительно, существование нулевого сопротивления неизбежно следует из этого эффекта. Ведь поверхностные экранизирующие токи постоянны во времени и не затухают в не измеряющемся магнитном поле. В тонком поверхностном слое сверхпроводника эти токи создают свое магнитное поле, строго равное и противоположное внешнему полю. В сверхпроводнике эти два встречных магнитных поля складываются так, что суммарное магнитное поле становится равным нулю, хотя слагаемые поля существуют совместно, поэтому и говорят об эффекте «выталкивание» внешнего магнитного поля из сверхпроводника. Подсчитали, что при переходе металла из нормального состояния в сверхпроводящее производится некоторая работа. Что, собственно, является источником этой работы? То, что у сверхпроводника энергия ниже, чем у того же металла в нормальном состоянии. Ясно, что «роскошь» эффекта Мейснера сверхпроводник может себе позволить за счет выигрыша в энергии. Выталкивание магнитного поля будет иметь место до тех пор, пока связанное с этим явлением увеличение энергии компенсируется более эффективным ее уменьшением, связанным с переходом металла в сверхпроводящее состояние. В достаточно магнитных полях энергетически более выгодным оказывается не сверхпроводящее, а нормальное состояние, в котором поле свободно проникает в образец.

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества, но при уменьшении температуры увеличивается устойчивость сверхпроводника к внешним магнитным полям. Это явление получило популярность благодаря известному опыту «Гроб Магомета», в ходе которого сверхпроводник (теплый) помещают в магнитное поле постоянного магнита, и с ним ничего не происходит, сверхпроводник никак не реагирует на поле магнита, затем сверхпроводник охлаждают в жидком азоте до критической температуры, тем самым переводят сверхпроводник в сверхпроводящее состояние и снова помещают в магнитное поле постоянного магнита. Сверхпроводник зависает в воздухе без каких-либо видимых для этого причин.

3.3 Теория БКШ Многие ученые разных стран внесли вклад в создании теории сверхпроводимости. Первым из них был советский ученый Л. Д. Ландау. Он первым сопоставил два «странных» явления — сверхпроводимость и сверхтекучесть электронной жидкости. В 1950 г.В. Л. Гинзбург и Л. Д. Ландау предложили феноменологическую теорию сверхпроводимости, позволившую рассмотреть ряд существенных свойств сверхпроводников, описать их поведение во внешнем поле. Теория эта была обоснована Л. П. Горьковым, разработавшим метод исследования сверхпроводящего состояния. Следующий шаг был сделан почти одновременно советским физиком академиком Н. Н. Боголюбовым и американским физиком Бардиным, Купером и Шриффером. Американские ученые успели несколько раньше поставить последнюю точку. Сверхпроводимость, как оказалось, проявляется в тех случаях, когда электроны в металле группируются в пары, взаимодействующие через кристаллическую решетку. Она тесно связана между собой, так что разорвать пару и разобщить электроны через трудные мощные связи позволяют электронам двигаться без всякого сопротивления сквозь решетку кристалла. Исходя из этих представлений Бардин, Купер и Шриффер в 1957 г. построили долгожданную микроскопическую теория сверхпроводимости, за которую они в 1972 г. были удостоены нобелевской премии. Эта теория, известная сегодня под названием «теория БКШ», не только позволила с уверенностью сказать, что механизм сверхпроводимости действительно ясен, но и впервые привела к установлению связи между критической температурой Тк и параметрами металлов.

Теория БКШ (Теория Бардина, Купера, Шриффера) — микроскопическая теория сверхпроводников, являющаяся на сегодняшний день доминирующей. В её основе лежит концепция куперовской пары: коррелированного состояния электронов с противоположными спинами и импульсами. В 1972 году создатели теории были удостоены Нобелевской премии по физике. Одновременно микроскопическая теория сверхпроводимости была построена с использованием так называемых преобразований Боголюбова (англ.) Н. Н. Боголюбовым, показавшим, что сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа.

Электроны вблизи поверхности Ферми могут испытывать эффективное притяжение, взаимодействуя друг с другом посредством фононов. Надо ввести уточнение, притягиваются только те электроны, энергия которых отличается от энергии электронов на поверхности Ферми не более чем на величину, где — Дебаевская частота, остальные электроны не взаимодействуют. Эти электроны объединяются в пары, называемые часто куперовскими. Куперовские пары, в отличие от отдельных электронов, обладают рядом свойств, характерных для бозонов, которые при охлаждении могут переходить в одно квантовое состояние. Можно сказать, что эта особенность позволяет парам двигаться без столкновения с решёткой и оставшимися электронами, то есть без потерь энергии.

Отметим, что в теории БКШ понятие куперовской пары четко не определено и в явном виде не вводится. Куперовская пара хорошо определена лишь в двухчастичной задаче Купера, которая считается вспомогательной для построения многочастичной теории БКШ.

Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер стали лауреатами нобелевской премии по физике в 1972 году за создание теории, описывающей сверхпроводимость.

3.4 Энергетическая щель и бесщелевая сверхпроводимость Каждый электрон несет с собой определенное количество энергии, которая измеряется в электрон-вольтах (Эв), это внесистемная единица измерения, но используется в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в других близких областях науки.

Запрещённая зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. То есть, это такая зона, через которую не может проходить электрон, иначе ему придется находиться между валентной зоной и зоной проводимости.

Ширина запрещённой зоны — это ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона.

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Й рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Тc теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ЙЙ рода. Такая температурная зависимость теплоемкости электронной подсистемы сверхпроводника свидетельствует о наличии энергетической щели в распределении электронов между основным состоянием сверхпроводника и уровнем элементарных возбуждений. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Й рода. Для сверхпроводников ЙЙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ЙЙ рода.

Связываясь, пара электронов как бы попадает в энергетическую яму. Для этого ей надо отдать некоторую энергию кристаллической решетки. Отданная энергия называется энергией связи пары Ес. Следовательно, для перевода электронов из сверхпроводящего состояния в нормальное необходимо затратить энергию на разрыв пары не меньше энергии связи, то есть энергию D = Ес/2 на каждый электрон. Энергетический спектр электронов в сверхпроводнике можно представить следующим образом: все электронные уровни сдвигаются вниз по сравнению с уровнем Ферми на величину равную D (рис.17). Если теперь в такой сверхпроводник попадет направленный электрон, он должен занять уровень 2D выше последнего из занятых спаренными электронами. Туда же должны переходить электроны из разорванных пар. А вот энергетический промежуток от ЕF — D до ЕF + D будет оставаться незанятым, говорят, что в энергетическом электронном спектре сверхпроводника имеется энергетическая щель величиной 2D. Иными словами, нормальное состояние электронов в сверхпроводнике отделено от сверхпроводящего состояния энергетической щелью. Значение щели можно приближенно, зная критическую температуру Тr: 2D «3,5kТr. При критической температуре, равной примерно 20К, величина энергии 2D «2,8? 10−22 Дж «1,7? 10−3 эВ. В большинстве случаев критическая температура Тк меньше 20К и величина энергетической щели соответствует 10к эВ. Надо сказать, что энергетическая щель в сверхпроводнике вовсе не постоянная величина. Она зависит от температуры в магнитном поле. Уменьшение температуры приводит к уменьшению энергетической щели и при критической температуре она обращается в ноль. Это и понятно. С увеличением температуры в сверхпроводнике появляется все больше фононов (фонон — самые настоящие частицы, но не совсем равноправные в том смысле, что они способны существовать только внутри вещества, в пустоте фононов не может быть. Фонон квази частица). С энергией, равной величине энергии щели, или больше неё, и они разрушают все большее число пар, превращая их в нормальные электроны. Но чем меньше остается пар, тем меньше становиться их вклад притяжение, тем оно слабее, а значит, тем более узкой становиться энергетическая щель. Зависимость величины энергетической щели от температуры показана на рисунке 18. Сплошная кривая теоретическая; точками указаны значения, полученные опытным путем. Можно отметить исключительно хорошее согласие теории и эксперимента, которое подтверждает правильность основных положений современной теории.

Бесщелевая сверхпроводимость. В первые годы после создания теории БКШ наличие энергетической щели в электронном спектре считалось характерным признаком сверхпроводимости без энергетической щели — бесщелевая сверхпроводимость. Как было впервые показано А. А. Абрикосовым и Л. П. Горьковым при введении магнитных примесей критическая температура эффектно уменьшается. Атомы магнитной примеси обладают спином, а значит спиновым магнитным моментом. При этом спины пары оказываются как бы в параллельном и антипараллельном магнитном поле примеси. С увеличением концентрации атомов, магнитной примеси в сверхпроводнике все большее число пар будет разрушаться, и в соответствии с этим ширина энергетической щели будет уменьшаться. При некоторой концентрации n, равной 0,91nкр (nкр — значение концентрации, при которой полностью исчезает сверхпроводящее состояние), энергетическая щель становиться равной нулю. Можно предположить, что появление бесщелевой сверхпроводимости связано с тем, что при взаимодействии с атомами примеси часть пар оказывается временно разорванными. Такому временному распаду пары соответствует появление локальных энергетических уровней в пределах самой энергетической щели. С ростом концентрации примесей щель все больше заполняется этими локальными уровнями до тех пор, пока не исчезнет совсем. Существование электронов образовавшихся при разрыве пары, приводит к исчезновению энергетической щели, а оставшиеся куперовские пары обеспечивают равенство нулю электронного сопротивления. Мы приходим к выводу, что существование щели само по себе вовсе не является обязательным условием проявление сверхпроводящего состояния. Тем более что бесщелевая сверхпроводимость, как оказалось явление не столь уж и редкое. Главное — это наличие связанного электронного состояния — куперовской пары. Именно это состояние может проявлять сверхпроводящие свойства и в отсутствии энергетической щели. «Парные корреляции — писал один из создателей теории БКШ Шриффер, — на которых основана теория спаривания электронов, наиболее существенных для объяснения основных явлений наблюдаемых в сверхпроводящем состоянии.

Глава 4. Эффект Джозефсона Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом. В первоначальной работе Джозефсона предполагалось, что толщина диэлектрического слоя много меньше длины сверхпроводящей когерентности, но последующие исследования показали, что эффект сохраняется и на гораздо больших толщинах. Брайан Дэвид Джозефсон получил нобелевскую премию в 1973 году, за открытие туннельного эффекта для сверхпроводника.

Используя нестационарный эффект Джозефсона, можно измерять напряжение с очень высокой точностью. Эффект Джозефсона используется в сверхпроводящих интерферометрах, содержащих два параллельных контакта Джозефсона. При этом сверхпроводящие токи, проходящие через контакт, могут интерферировать. Оказывается, что критический ток для такого соединения чрезвычайно сильно зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать устройство для очень точного измерения магнитных полей. Если в переходе Джозефсона поддерживать постоянное напряжение, то в нём возникнут высокочастотные колебания. Этот эффект, называемый джозефсоновской генерацией, впервые наблюдали И. К. Янсон, В. М. Свистунов и И. М. Дмитренко. Возможен, конечно, и обратный процесс — джозефсоновское поглощение. Таким образом, джозефсоновский контакт можно использовать как генератор электромагнитных волн или как приёмник (эти генераторы и приёмники могут работать в диапазонах частот, недостижимых другими методами).

Эффект Джозефсона очень полезен для проведения различных измерений, поскольку очень точный. В скором времени без ВТСП электроника не сможет обходиться.

Глава 5. Применение сверхпроводимости Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50-х годах, когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение.

Между тем уже почти 100 лет минуло с тех пор, как было открыто явление сверхпроводимости — путь к тому, как обойтись без потерь в проводах. Путь, однако, непростой. Для того чтобы некоторые (не все) проводящие материалы потеряли свое электрическое сопротивление, их необходимо охлаждать до очень низких температур, а это ставит серьезные технические задачи. Тем не менее, уже на десятки лет идет счет практическому использованию сверхпроводников (СП) в научных приборах и в медицине. В науке — это СП-электромагниты, работающие при температуре жидкого гелия («минус» 269 градусов по Цельсию) и применяющиеся в современных больших ускорителях элементарных частиц — коллайдерах. В медицине — магниторезонансные томографы со сверхпроводящими магнитами в гелиевых криостатах.

Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже в настоящее время разработаны, изготовлены и испытаны макеты ячейки памяти, сверхчувствительный элемент считывания на ВТСП пленках с кратным снижением энерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания, сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительность систем в 10−100 раз. Внедрение ВТСП в вычислительную технику даст кратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход на ВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых суперЭВМ позволит повысить их производительность с 10×9 до 10×12 операций в секунду. Одной из перспективных областей применения ВТСП будет космическая техника — бортовые и «забортовые» измерительная аппаратура и вычислительные системы (возможна работа без специальных устройств охлаждения, так как «теневая» температура у спутников — 90 К). При переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз, объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз.

Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволяет существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Применение ВТСП в сильноточной технике будет иметь наиболее радикальные экономические последствия. Это направление включает в себя создание электроэнергетических устройств и систем, вырабатывающих, передающих и преобразующих электроэнергию в промышленных масштабах. Основой этого направления является способность сверхпроводников нести без потерь высокие плотности (10×9−10×10 А/м2) транспортного тока в сильных магнитных полях при температурах ниже критической. Таким образом, при передаче по кабельным линиям электропередач мощностей свыше 20 млн. кВт на расстояние свыше 2000 км ожидается снижение электрических потерь на 10%, что соответствует сбережению от 7 до 10 млн. т.у.т. в год. При этом приведенные затраты на сверхпроводящую кабельную ЛЭП могут быть не больше, чем на высоковольтную ЛЭП традиционного исполнения. Применение сверхпроводимости в электрогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь удается существенно достигнуть того, чего при других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить массу и габариты машины при сохранении мощности. Массу генераторов можно уменьшить в 2−2,5 раза, в тоже время в связи с отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и приблизиться для крупных генераторов к КПД 99,3%. Повышение КПД турбогенераторов на 0,1% компенсирует затраты, связанные с созданием генераторов на 30%. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300 К, они имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб теплои электрохарактеристикам токовводов.

Экспериментальные образцы приборов с переходами Джозефсона (СКВИД детекторы) могут обнаруживать напряжения порядка 10−15 В. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10−9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных точек температуры. Новая 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. Следовательно, сверхпроводники можно использовать в различных сферах деятельности человека.

5.1 Ускорители Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960;х годов магнитные поля выше 10 Тл даже в небольших лабораториях. Рагнее создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало очень больших количеств электроэнергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения.

Реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Наиболее широко сверхпроводники стали применять в ускорительной технике, при построении детекторов частиц в физике высоких энергий, в исследовательских установках термоядерного синтеза, в ядерно — магнитных спектрометрах при изучении структуры материалов, в медицинских магниторезонансных томографах. В 1980;х годах в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля. В настоящее время только благодаря применению сверхпроводников реализовалась возможность создания крупных физических установках, выполняемых по международным программам — большой адронный коллайдер LHC и международный опытный термоядерный реактор — ITER. Применение сверхпроводящих индуктивных и инерционных накопителей энергии для компенсации неравномерности энергопотребления позволит на 20−30% повысить КИУМ электростанций, сэкономив при этом значительное количество дорогого и экологически небезвредного углеводородного жидкого и твёрдого топлива. ВТСП очень удобны для использования их в ускорителях элементарных частиц и просто на электростанциях.

5.2 Медицина В медицине широко используется такая медико-диагностическая процедура как электронная томография. Она проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), и пациент, сам того не подозревая, находится в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

В будущем ВТСП будут помогать врачам лечить людей, проводить диагностику организма на более высоком уровне, повысить продолжительность жизни человека.

5.3 Транспорт 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 большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске в Японии и Германии достигли скоростей, близких к 300 км/ч.

Поезд на магнитной подушке, магнитоплан или маглев (от англ. magnetic levitation — «магнитная левитация») — это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью полотна существует зазор, трение между ними исключается, и единственной тормозящей силой является аэродинамическое сопротивление. Относится к монорельсовому транспорту. Скорость, достигаемая поездом на магнитной подушке, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушному транспорту на ближнеи среднемагистральных направлениях (до 1000 км). Хотя сама идея такого транспорта не нова, экономические и технические ограничения не позволили ей развернуться в полной мере: для публичного использования технология воплощалась всего несколько раз. В настоящее время, маглев не может использовать существующую транспортную инфраструктуру, хотя есть проекты с расположением магнитных элементов между рельсами обычной железной дороги или под полотном автотрассы.

Из этого следует, что сверхпроводники открывают дорогу для строительства новых путей сообщения.

Заключение

Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород. В 1911 году голландский физик Х. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Он проводил измерения электрического сопротивления ртути при низких температурах. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить «тепловой шум», т. е. уменьшить температуру.

Результат этого исследования оказался неожиданным: при температуре ниже 4,15 К сопротивление почти мгновенно исчезло. (рис.1)

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками. Нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Но почему всё так происходит? Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга — Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908;1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков, но о ней мы поговорим позднее.

Из вышесказанного становится понятно, что сверхпроводник — это такой проводник, сопротивление которого равно нулю, а его «первооткрывателями» были Вальтер Мейснер Джон Бардин Леон Купер и Джон Роберт Шриффер

1. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М: Наука, 2010.

2. Кожевников С. Н. Теория механизмов и машин. — М.: Машиностроение, 2007.

3. Попов С. А. Курсовое проектирование по теории механизмов и механике машин. — М.: Высшая школа, 2006.

4. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин./ Под редакцией А. С. Кореняко, С. Д. Петровский, Л. И. Кременштейн — М.: ООО «МедиаСтар», 2009.

Приложение Рис. 1 (график зависимости сопротивления проводника от температуры)