Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Создание сильных магнитных полей. В настоящее время основное применение сверхпроводников — создание сильных магнитных полей с индукцией более 2 Тл, т.е. когда магнитная индукция значительно превышает индукцию насыщения сплавов железа и кобальта, равную 2,2 Тл (см. 5.5).
С помощью сверхпроводящих систем получены магнитные поля с В > 20 Тл. Сильные магнитные поля проще создавать с помощью сверхпроводящих соленоидов, чем с помощью электромагнитов. 11апример, создание магнитного поля с В = 3 Тл в объеме порядка 500 см' в течение длительного времени требует применения электромагнита массой !0 т. В медных обмотках такого электромагнита выделяется более 40 кВт теплоты, для ее отвода используют обычно внутривитковое водяное охлаждение (обмотки магнита изготавливают из трубок, внутри которых циркулирует дистиллированная вода). Использование сверхпроводников позволяет получать магнитные поля с такой индукцией при помощи обычного сверхпроводящего соленоида, в сотни раз более легкого и экономичного, чем электромагнит. Сверхпроводящие системы в таких случаях предпочтительнее, несмотря на необходимость использования низких температур и дорогостоящего охлаждения с помощью жидкого гелия.
Отметим, что на обмотки сверхпроводящего соленоида действуют очень большие силы, способствующие растяжению витков и их сближению, что делает конструирование сверхпроводящих соленоидов сложной задачей. Внутри сверхпроводящего соленоида плотность энергии магнитного поля достигает 10' Дж/м'. При нарушении обмоток соленоида или при переходе их в нормальное состояние энергия магнитного поля, запасенная в соленоиде, быстро выделяется в виде теплоты, что приводит к взрывоподобным разрушениям сверхпроводящей системы.
Поэтому при конструировании таких систем необходимо применять специальные меры безопасности. Для изготовления сверхпроводящих обмоток используют сверхпроводники 2-го рода. Известно, что большинство таких 317 сверхпроводников — хрупкие вещества, поэтому провода, изготовленные из них, недостаточно пластичные, а часто и ломкие. Поэтому наиболее широко распространены обмотки из композиционного материала, который состоит из тонких жил сверхпроводящего соединения МЬ,Яп, запрессованных внутри медной несущей проволоки (рис.
6.12). Рне. 6.12. Схема строения Интересен процесс изготовления тапровода из композицион- ких сверхпроводников. В монолитном ного материала, состояще- медном цилиндре сверлят продольные го из евеРхпРоводящих отверстия, которые заполняют вещестжнл 1 хРУпкого сверхпро вом сверхпроводника; затем цилиндр водника и медного пла- прокатывают в проволоку нужного диастичного несущего вещества 2 метра. В результате получают проводник из композиционного материала, содержащий тонкие жилы сверхпроводника, находящиеся в медном окружении, который обладает такими механическими характеристиками, как и обычные медные проводники.
Незначительные нарушения целостности тонких сверхпроводящих жил не очень опасны, так как электрический ток обойдет поврежденные места по меди, сопротивление которой мало. Сверхпроводящие магнитные системы могут работать и в коротко замкнутом режиме. В такой системе, например в соленоиде, в начальный момент времени создается магнитное поле с помощью внешнего источника тока, затем соленоид закорачивается, а источник отключается.
Сверхпроводящий ток способен долго циркулировать в короткозамкнутом соленоиде и создавать магнитное поле. Такое поле будет очень стабильным, поскольку поток вектора индукции, проходящий через сверхпроводящий контур, должен оставаться строго постоянным, так как любое изменение поля, проходящего через него, приведет к появлению индукционных токов, которые скомпенсируют изменение магнитного потока. Сверхпроводящие магнитные системы применяют для научных исследований, например для изучения свойств веществ в сильных магнитных полях, в установках для магнитного удержания плазмы, для управления пучками частиц в ускорителях.
Также сильные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими системами, применяют в медицине, в частности в магнитной томографии. 318 Другое применение сверхпроводников — создание магнитных подвесов, основанных на эффекте Мейснера. В таком подвесе обеспечивается взаимное отталкивание двух узлов: один содержит сверхпроводник, а другой (постоянный магнит или электромагнит) — создает магнитное поле. Использование магнитных подвесов позволяет исключить механическое трение деталей.
Область применения таких подвесов — транспорт, приборостроение (в частности, подшипники, быстровращающиеся моторы, гироскопы и другие устройства). Уже испытаны монорельсовые дороги на магнитных подвесах, принцип работы которых основан на эффекте Мейснера. Крногенная радиотехника. Использование сверхпроводников как материала стенок объемных резонаторов в радиоаппаратуре позволяет увеличить добротность резонаторов, поскольку исключаются потери энергии на выделение теплоты в стенках резонатора, которые сильно уменьшают максимальные амплитуды колебаний тока и напряжения при резонансе, связанные с добротностью резонансной системы.
Резонаторы можно изготовить из керамических высокотемпературных сверхпроводников. Подобные резонаторы уже используются в системах радиолокации, дальней и даже сотовой телефонной связи. При использовании сверхпроводящих резонаторов в резонансных генераторах высоких напряжений значительно повышается их экономичность, поскольку вследствие высокой добротности резонатора можно достигать больших амплитуд колебаний напряжения при подводе той же мощности. Криогеннаи электротехника. Перспективным считается создание трансформаторов, генераторов и электродвигателей со сверхпроводящими обмотками.
Однако в настоящее время такое использование, как правило, экономически нецелесообразно, поскольку охлаждение до гелиевых температур обходится дорого, а изготовление проводов из высокотемпературных сверхпроводников, требующих охлаждения жидким азотом, еще недостаточно хорошо освоено. Измерения слабых магнитных полей. На основе сверхпроводников созданы особо чувствительные датчики магнитных полей, способные регистрировать изменение напряженности магнитного поля до 10 " А/м.
Работа таких детекторов, называемых сквидами (сверхпроводящими квантовыми ннтерференционными детекторами), основана на эффекте Джозефсона (см. 6.2). С принципами их работы можно ознакомиться в литературе по сверхпро- 319 водимости. Сквиды используют для регистрации слабых изменений магнитных полей в медицине (например, сердца, мозга и других органов), в геологоразведке полезных ископаемых (по изменению магнитного поля Земли можно определить места залегания полезных ископаемых). Криогенные компьютеры. С использованием эффекта Джозефсона предполагалось создавать компьютеры с высоким быстродействием, поскольку переключающие элементы таких компьютеров имеют время срабатывания порядка 1О " с. Однако традиционные компьютеры уже обеспечивают время переключения менее 1О '" с и не требуют сложного охлаждения.
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости значительно расширило возможность применения сверхпроводников: для получения сверхпроводящего состояния достаточно, чтобы температура достигала примерно 100 К (жидкое состояние азота). Однако использование высокотемпературных сверхпроводников сдерживается их хрупкостью, не позволяющей создавать из них достаточно гибкие провода, и сравнительно малой критической плотностью тока (см.
6.1). Отметим, что за последние годы найдены способы изготовления проводов из композиционных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников и пути некоторого увеличения их рабочей плотности тока. 7. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ С ТВЕРДЫМИ ТЕЛАМИ Переменные электромагнитные поля, в частности поля световой волны, взаимодействуют с электронами, ионами и атомами кристалла.
Некоторые вопросы теории этого взаимодействия можно рассматривать с помощью классической физики, например поглощение радиоволн или инфракрасного излучения. Однако к таким вопросам, как поглощение и излучение света полупроводниками и диэлектриками, следует подходить с позиций квантовой физики. 7.1. Поглощение электромагнитных излучений твердым телом (классическое рассмотрение) Строго говоря, взаимодействие электромагнитного излучения с твердым телом следует рассматривать с позиций квантовой физики, однако это весьма сложно для начального курса физики. Вместе с тем отдельные вопросы взаимодействия электромагнитного излучения с твердым телом можно удачно обсудить на качественном, наглядном уровне и в рамках классической теории.
С позиций электродинамики электрическая составляющая силы взаимодействия частиц с электромагнитной волной превышает магнитную составляющую, если эти частицы движутся с нерелятивистскими скоростями, и поэтому при рассмотрении вопросов, связанных с воздействием электромагнитной волны на твердое тело, обычно учитывают только электрическое поле волны. Подход к вычислению показателя преломления. Чтобы проанализировать распространение и поглошение электромагнитных волн в твердом теле в соответствии с принципами классиче- 321 ской электродинамики, необходимо вычислить диэлектрическую проницаемость я и показатель преломления п твердого тела.
В некоторых случаях они могут оказаться комплексными величинами. Мнимая часть е определяет потери энергии волны в твердом теле. При вычислении и относительную магнитную проницаемость среды 1з обычно полагают равной единице, что выполняется практически для всех твердых тел в инфракрасном, световом и более высокочастотном диапазонах электромагнитных волн, т. е. и =,/)гв = Л. Показатель преломления связан с волновым вектором й электромагнитной волны, модуль которого х = пш/с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
