151373 (621680)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра фізики напівпровідників

Надпровідність та її використання в техніці

Курсова робота

студента 2 курсу , 4-ої групи

фізичного факультету

Біланича Р.М.

Науковий керівник:

проф. Грабар О.О.

Ужгород-2005

ВСТУП

1. ТЕОРІЯ НАДПРОВІДНОСТІ

1.1 Чудеса поблизу абсолютного нуля

1.2 Надпровідник у магнітному полі

1.3 Рівняння Лондонів. Глибина проникнення

1.4 Два типи електронів

1.5 Абрикосові вихрі

1.6 Теорія Бардіна-Купера-Шріффера

2. ВИКОРИСТАННЯ НАДПРОВІДНОСТІ В ТЕХНІЦІ

2.1 Надпровідні соленоїди

2.2 Надпровідні генератори

2.3 Кабелі для передачі інформації

2.4 Трансформатор постійного струму

2.5 Магнітні підвіси і підшипники

2.6 Надпровідні перемикачі й елементи пам’яті

2.7 Надпровідні об’ємні резонатори

2.8 Надпровідні екрани для магнітних полів

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Коли давньогрецькі мислителі ще тільки дивувалися "силі, що таїться в янтарі і у магнітному камені ", приручений вогонь уже світив, грів, обпалював і плавив метал. Від завойованого і прирученого вогню людина повернулась до холоду. Відбулося це зовсім недавно, але створений нею рукотворний холод уже знайшов собі чимало застосувань. Логіка розвитку техніки привела до того, що в дивний світ найнижчих у природі температур почали опускати не тільки фізичні прилади, які реєструють що відбувається, але і цілі технічні пристрої. Відкриття, зроблені на цьому шляху, виявилися настільки своєрідними , властивості речовини - такими незвичайними , що одержання низьких температур і самі дослідження в умовах надглибокого холоду виділилися в самостійну науково-технічну область - фізику і техніку низьких температур. При низьких температурах було виявлено одне із самих дивних явищ у природі - надпровідність.

Про надпровідність стало відомо в 1911 році . Але протягом десятиліть дослідженням цього загадкового явища займалися лише деякі фізичні лабораторії. Довгий час про надпровідність знали лише дуже мало вчених, зайнятих розробкою фундаментальних основ фізики твердого тіла, термодинаміки , електромагнетизму. Пройшло майже піввіку від відкриття до правильного розуміння надпровідності .

Сьогодні надпровідність - це одна з найбільш досліджуваних областей фізики, явище, що відкриває перед інженерною практикою серйозні перспективи. В наш час розширюється використання явища надпровідності для турбогенераторів, електродвигунів, уніполярних машин, топологічних генераторів, жорстких і гнучких кабелів, комутаційних пристроїв, магнітних сепараторів, транспортних систем і багато іншого. Слід також відзначити важливий напрям в роботах по надпровідності - створення вимірювальних пристроїв для вимірювання температур, витрат, рівнів, тиску і т.д.

1. ТЕОРІЯ НАДПРОВІДНОСТІ

1.1 Чудеса поблизу абсолютного нуля

Чимало приводів для міркувань приніс фізикам початок XX століття. Серед них результати дослідів в умовах надглибокого холоду при температурах усього лише на кілька градусів вище абсолютного нуля.

Поняття абсолютний нуль ввійшло у фізику в середині минулого століття. Випливаючи із газового закону, воно поступово поширилося на всі стани речовини, придбало фундаментальне значення для усієї фізики.

Абсолютному нулю відповідає температура -273,15 °С. Будь-яку речовину до меншої температури охолодити не можна . Іншими словами, при абсолютному нулі молекули речовини володіють найменшою можливою енергією, що уже не може бути віднята в тіла ні при якому охолодженні. При кожній спробі охолодити речовину енергії в ньому залишається усе менше і менше, але всю її речовина ніколи не зможе віддати більш холодному тілу. З цієї причини вчені не досягли абсолютного нуля і не сподіваються зробити це, хоча уже можна досягти температур порядку мільйонних часток градуса.

Дослідження при температурах, близьких до абсолютного нуля, здавна залучали до себе увагу вчених. Такі температури фізики називають кріогенними (від грецького слова " кріо "- холод ).

При кріогенних температурах відбувається багато дивного. Ртуть замерзає так, що нею можна забивати цвяхи, гума розлітається на осколки від удару молотком, деякі метали стають тендітними як скло. Усе це цікаво, але суть одержання низьких температур набагато глибше. Поводження речовини поблизу абсолютного нуля найчастіше не має нічого загального з її поводженням при звичайних температурах. Здавалося б, разом з теплом із речовини іде й енергія, а застигла речовина вже не може представляти інтересу.

Ще сторіччя назад так і вважали: абсолютний нуль - це смерть матерії. Але фізики одержали можливість працювати при наднизьких температурах , і виявилося, що область поблизу абсолютного нуля не така уже й мертва. Зовсім навпаки: тут починають виявлятися численні красиві ефекти, що при звичайних умовах, як правило, замасковані тепловим рухом атомів. Саме тут починається той світ - дивний і часом парадоксальний, котрий називається надпровідністю. Надпровідність - здатність речовини пропускати електричний струм, не роблячи йому навіть найменшого опору. Відкриттям цього унікального явища, що не має аналога в класичній фізиці, ми зобов'язані чудовому голландському вченому Гейке Камерлінг-Оннесу.

Камерлінг-Оннес проклав дорогу. По ній уже більш як 94 роки йдуть багато учених світу, і ще на довго залишиться вона оживленою магістраллю науки. Але як би далеко від початку ми не пішли, варто пам'ятати, що колись її зовсім не було на карті природознавства.

Класична теорія електромагнетизму добре пояснювала той факт, що опір електричного провідника зменшується разом з падінням температури. Схематично це пояснення полягає в наступному. Електричний струм є не що інше, як проходження вільних електронів через кристалічну решітку провідника. При кімнатній температурі теплові коливання атомів у решітці збільшують можливість зіткнення електронів з ними; це затримує потік електронів, що означає підвищення опору струму. При низькій температурі амплітуда коливань атомів зменшується, електрони зіштовхуються з атомами менш часто, і струм зустрічає менший опір . При абсолютному нулі передбачається, що коливання зовсім припиняються. Однак невеликий опір струму все-таки залишається, тому що деякі електрони усе ще будуть зіштовхуватися з тепер уже нерухомою коміркою, з дефектами і забрудненнями, що спотворюють структуру комірки у всіх кристалах. Ця модель тривалий час задовольняла фізиків. Відкриття Камерлінг-Оннеса в 1911 році показало її непридатність. Камерлінг-Оннес заморозив ртуть за допомогою рідкого гелію і пропустив через неї струм. Опір ртуті зменшувався разом з температурою. Ртуть поводилася звичайним чином до тих пір , поки температура не досягла 4,2К. Раптом електричний опір ртуті зник; не було навіть передбаченого класичною моделлю залишкового опору, який вказує на зіткнення між електронами та дефектами і домішками в кристалічній решітці (Рис. 1).

Рис. 1

Раптове зникнення опору в надпровідниках при наближенні до температури абсолютного нуля відзначено на цьому графіку пунктирною лінією. Опір надпровідних металів зменшується зі зниженням температури до деякої скінченної величини (суцільна крива).

Камерлінг-Оннес знайшов, що й інші метали, такі як олово, свинець, тантал і ніобій , теж виявляють таке ж різке зникнення опору поблизу абсолютного нуля.

Камерлінг-Оннес в 1914 році запропонував дуже хороший метод вимірювання опору. Схема експерименту виглядала досить просто (Рис. 2).

Котушку зі свинцевого провідника опускали в кріостат - пристрій для проведення дослідів при низьких температурах. На початку досліду ключ 1 був замкнутий, а 2 розімкнутий. Охолоджувана гелієм котушка знаходилася у надпровідному стані. При цьому струм, що йшов по котушці, створював навколо неї магнітне поле, що легко виявлялося по відхиленню магнітної стрілки, розташованої поза кріостатом. Потім ключ 2 замикався, а ключ 1 розмикався, так що тепер надпровідна обмотка виявлялася замкнутою накоротко. Стрілка компаса, однак, залишалася відхиленою, що вказувало на наявність струму в котушці, вже відключеної від джерела струму. Спостерігаючи за стрілкою протягом декількох годин (поки не випарувався весь гелій із посудини), Оннес не помітив ні найменшої зміни у відхиленні стрілки. "Навіть наступного дня ,- писав Оннес,- електрони продовжували свій рух. Як тільки котушку виймали з рідкого гелію, струм негайно припинявся ." По результатам досвіду Оннес прийшов до висновку, що опір надпровідної свинцевої дротини щонайменше в 10¹¹ раз менше її опору в нормальному (ненадпровідному) стані.

Згодом аналогічні експерименти по наведенню струму і контролю його загасання в замкнутих надпровідних петлях неодноразово проводилися й іншими дослідниками. У жодному з подібних дослідів не була відзначена зміна струму. Було встановлено, що час загасання струму перевищує багато років, і з цього випливало, що питомий опір надпровідника менше ніж 10^-25 Ом·м. Порівняємо це з питомим опором міді при кімнатній температурі , який становить 1,55· 10^-8 Ом·м - різниця настільки велика, що без сумніву можна вважати: опір надпровідника дорівнює нулю.

Камерлінг-Оннес спочатку думав, що з освоєнням надпровідності для електротехніки почнеться золоте століття. Вже в 1913 році він публікує в журналі "Повідомлення з лейденської лабораторії" статтю, у якій пропонує побудувати потужний електромагніт з обмотками із надпровідного матеріалу. Такий магніт не споживав би електроенергії, і з його допомогою можна було б одержувати дуже сильні магнітні поля. Оннес міркував, що оскільки опір дорівнює нулю, то струм у ланцюзі відповідно до закону Ома може бути як завгодно великим. Якби так...

Як тільки пробували пропускати по надпровіднику значний струм, надпровідність зникала. І це ще не усе. Незабаром виявилося, що і слабке магнітне поле (з індукцією , що рівна сотим часткам тесли) також знищує надпровідність. Це відкриття на довгі роки погасило райдужні надії фізиків і електротехніків. Існування критичних значень температури, струму і магнітної індукції різко обмежувало практичні можливості надпровідників. Стало ясно, що надпровідність - не більш ніж фізична іграшка, феномен, що збуджує цікавість фізиків.

1.2 Надпровідник у магнітному полі

Те, що в магнітному полі, яке перевищує деяке граничне чи критичне значення, надпровідність зникає, зовсім безперечно. Це експериментальний факт. Навіть, якщо якийсь метал і позбудеться опору при охолодженні, то він може знову повернутися в нормальний стан, потрапивши в зовнішнє магнітне поле. При цьому в металі відновлюється приблизно той же опір, що був в нього при температурі, що перевищує критичну температуру Т_к надпровідного переходу. Саме критичне поле з магнітною індукцією В_к залежить від температури: індукція дорівнює нулю при температурі Т = Т_к і зростає при температурі, що прямує до нуля. Звичайно, усі метали мають різні значення магнітної індукції В_к; але для багатьох з них залежність індукції В_к від температури подібна до тої , що зображена на рисунку 3, а. Це породило впевненість, що механізм надпровідності для всіх металів якісно той самий. Рисунок 3, б можна розглядати як діаграму, де лінія залежності В(Т) для кожного металу розмежовує області існування різних фаз. Область нижче цієї лінії відповідає надпровідному стану , вище - нормальному.

Розглянемо тепер поводження ідеального провідника (тобто провідника, в якому відсутній електричний опір) в різних умовах. У такого провідника при охолодженні нижче критичної температури електропровідність стає нескінченною. Саме ця властивість і дозволяла вважати надпровідник ідеальним провідником.

Магнітні властивості ідеального провідника випливали із закону індукції Фарадея й умови нескінченної електропровідності. Припустимо , що перехід металу у надпровідний стан відбувається при відсутності магнітного поля і зовнішнє магнітне поле прикладається тільки після зникнення опору.

Тут не треба ніяких тонких експериментів, щоб переконатися в тім, що магнітне поле всередину надпровідника не проникає . Дійсно, коли метал потрапляє в магнітне поле, то на його поверхні внаслідок електромагнітної індукції виникають незатухаючі замкнуті струми (їх часто називають екрануючими струмами ) , що створюють своє магнітне поле, індукція якого по величині дорівнює індукції зовнішнього магнітного поля, а напрямки векторів магнітної індукції цих полів протилежні. У результаті індукція сумарного магнітного поля в середині ідеального провідника дорівнює нулю. Виникає ситуація, при якій метал ніби перешкоджає проникненню в нього магнітного поля, тобто поводиться як діамагнетик. Якщо тепер зовнішнє магнітне поле забрати, то зразок виявиться у своєму початковому не намагніченому стані. Розглянемо іншу послідовність подій. Метал, що знаходиться в нормальному стані, помістимо в магнітне поле і потім охолодимо його для того, щоб він перейшов у надпровідний стан. Зникнення електричного опору не повинне робити впливу на намагніченість зразка, і тому розподіл магнітного потоку в ньому не зміниться. Якщо тепер прикладене магнітне поле забрати, то зміна потоку зовнішнього магнітного поля через обсяг зразка приведе (за законом індукції) до появи незатухаючих струмів, магнітне поле яких точно компенсує зміну зовнішнього магнітного поля. В результаті захоплене поле не зможе вийти: воно виявиться "замороженим" в об’ємі зразка і залишиться там як у своєрідній пастці (Рис.5).

Як бачимо, магнітні властивості ідеального провідника залежать від того, яким шляхом він попадає в магнітне поле. Справді , наприкінці цих двох операцій - накладання і зняття поля - метал виявляється в тих самих умовах - при однаковій температурі і нульовому зовнішньому магнітному полю. Але магнітна індукція металу-зразка в обох випадках зовсім різна - нульова в першому випадку і кінцева, залежна від вихідного поля в другому.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов курсовой работы