belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 120
Текст из файла (страница 120)
Сейчас известно более двух десятков ВТСП соединений, которые являются купратами различных металлов, и они по названию основного металла соответственно называются иттриевыми ВТСП (например, УВазСпзОг „,, Т,= 90 К), висмутовыми (В1оЯгоСаСпо08, Те= 95 К), таллиевыми (Т18ВазСаСп208, Те 110 К), ртутными (Н8ВатСаСпт00, Те 125 К). Высокотемпературные сверхпроводпики являются типичными представителями сверхпроводников П рода с очень большим отношением лондоновской длины к длине когерентности порядка нескольких сотен.
Поэтому второе критическое магнитное поле Нез имеет очень высокое значение, в частности у В1 2212 (так для краткости указывают ВТСП-материалы; цифры обозначают стехиометрические индексы составляющих их компонентов) оно составляет примерно 400 Тл, а Не1 равно нескольким сотням эрстсд (1 Э=10 4 Тл). В табл. 10.4 приведены параметры некоторых типичных представителей купратных семейств. Таблаца 10.4.
Параметри ВТСП-материалоа В монокристаллах высокотемпературных сверхпроводников в магнитных полях больших Не1 наблюдается регулярная вихревая структура, подобная ранее обнаруженной в традиционных сверхпроводниках П рода. В состав оксидных сверхпроводников входит обычно 4 5 различных сортов атомов, а в элементарную кристаллографическую ячейку до 20 атомов.
Практически все ВТС11 обладают слоистой структурой типа поровскита с ГЛ. 10. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ 446 плоскостями из атомов Сп и О. На рис. 10.17 показана кристзллографическая структура типичного широко распространенного высокотемпературного сверхпроводника - . иттриевого соединения УВавСпз07 Супцественную роль в сверхпроводимости играет наличие кислорода. Атомы кислорода могут занимать две различные позиции: в плоскостях СВ02 (эти позиции сейчас обозначаются как 03) и в цепочках СВО (01) (рис.
10.17). Химическая связь атомов кислорода в цепочках невелика и при термической обработке они могут выходить из кристалла, а в цепочках образуются вакансии (дырки), что сопровождается структурными превращениями. Так полному заполнению кислородом медных цепочек в иттриевом купрате (т = 7) соответствует орторомбическая структура, а в случае отсутствия атомов 01 решетка имеет тетрагональную структуру (я = 6). На рис. 10.18 показана зависимость Т, от содержания кислорода к в иттриевых кУПРатах УВавСпзОт-~ г 80 60 02 03 062 20 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Рис. 10.17 Рис.
10.28 Результаты многочисленных экспериментов подтверждают предположение, что плоскости с кислородом являются основным объектом в кристаллографической решетке, которые ответственны как за проводимость этих оксидных соединений, так и за возникновение в них сверхпроводимости при высоких температурах. Мы рассмотрели физические свойства монокристаллических ВТСП. Исторически первые ВТСП были получены спеканием соответствующих химических компонентов с последующим отжигом в атмосфере кислорода.
В резулыате получается керамический сплав, состоящий из спекшихся сверхпроводящих гранул. Поэтому такие ВТСП называют керамическими или гранулярными. Характерный размер гранул обычно составляет = 10 мкм. Первые эксперименты проводились именно на таких керамических образцах., и лишь потом научились выращивать монокристаллические образцы, что до сих пор является довольно трудной технологической задачей. Следует отметить, что грапулярныо сверхпроводники обладают новыми инте- 10.9. ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ ресными физическими свойствами, в принципе невозможными в классических неграпулярных низкотемпературных сверхпроводпиках.
Практически все прикладные исследования, о которых пойдет речь в следующем параграфе, проводятся именно на основе керамических образцов. 10.9. Применения сверхпроводимости Вопросы различных применений сверхпроводимости стали обсуждаться практически сразу же после открытия этого поразительного явления.
Еще Камерлинг-Опнес считал, что с помощью сверхпроводников можно экономичным образом создавать сильные магнитные поля. Однако реально использование сверхпроводимости началось лишь в конце 50-х -- начале 60-х гг. В настоящее время уже работают сверхпроводящие магниты практически любых размеров и любой формы. Они вышли за рамки чисто научных исследований, и сегодня их широко использу1от в лабораторной практике, в ускорительной технике, медицинских томографах, установках для управляемой термоядерной реакции. С помощью сверхпроводимости стало возможным намного повысить чувствительность многих видов измерений.
Сверхпроводимость стала не только технической дисциплиной, по и отдельной отрасльк) промьппленности. И, конечно, открытие высокотемпературной сверхпроводимости создало предпосылки к более широкому внедрению в повседневную практику различных сверхпроводящих устройств. Ниже мы приведем для иллюстрации лишь несколько примеров. Наибольшее применение сверхпроводники нашли в настоящее время в области создания сильных магнитных полей. Современная промышленность производит из сверхпроводников П рода разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток магнитов.
Преимущества сверхпроводящих магнитов достаточно очевидны. Не говоря даже о возможности получения с помощью сверхпроводников значительно более сильных магнитных полей (сейчас в чисто сверхпроводящих системах достигнуты поля более 20 Тл), чем при использовании железных магнитов, сверхпроводящие магниты являются и более экономичными. Так, например, для поддержания в медном соленоиде с внутренним диаметром 4 см и длиной 10 см поля в 10 Тл необходима электрическая мощность не менее 5100 кВт, которую нужно полностью отвести водой, охлаждающей магнит. Это означает, что через магнит надо прокачивать не менее 1 м' воды в минуту, а затем ее еще охлаждать в специальном устройстве (градирне). В сверхпроводящем варианте такой объем магнитного поля создается достаточно просто, необходимо лишь создание гелиевого криостата для охлаждения обмоток, что сейчас является довольно простой технической задачей. Следует еще раз отметить, что максимально возможное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящими магнитами, ограничено верхним пределом для плотности тока (критическими токами).
Критический ток определяется, как правило, технологией приготовления проводников, а не верхним критическим полем материала. Изготовить соленоид, создающий в объеме в несколько кубических сантиметров магнитное поле до 10 Тл, сейчас под силу любой лаборатории. Конечно, конструирование магнитов с большим объемом магнитного поля является серьезной инженерной задачей, ибо необходимо грамотно учитывать как всевозможные теплопритоки в криогенную систему, так и механические 448 ГЛ. 10. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ напряжения, возникающие в обмотке и конструкционных деталях. Так, например, радиальное усилие, возникающее в цилиндрическом соленоиде с внутренним диаметром 0,5 м при поле 5 Тл, составляет около 3 100 кг/м~.
Конструкция соленоида должна выдерживать такую нагрузку и в то же время не влиять на магнитное поле. Сверхпроводящие магниты обладают ен1е одним преимуществом перед обычными —. они могут работать в короткозамкнутом режиме, когда поле «заморожено» в объеме, что обеспечивает практически пе зависящую от времени стабильность поля. Это свойство чрезвычайно важно при измерениях в веществе ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, в томографах и т.
и. В сверхпроводящих соленоидах с большим объемом поля запасенная энергия достаточно больп1ая и в случае перехода катушки в нормальное состояние (например, из-за проникновения газа в откачанный об.ьем криостата либо при превышении критического поля) эта энергия превратится в тепло. Например, при поле 5 Тл в объеме 1 м запасенная энергия составляет 3, ° примерно 10~ Дж (около 2,8 кВт час). Если при переходе в яормальное состояние вся энергия бесконтрольно превратится в тепло, то это может привести, из-за мгновенного превращения жидкого гелия в газ и резкого повышения давления в системе, к полному разрушению магнита. Во избежание таких катастрофических последствий самопроизвольного перехода катушки в нормальное состояние соленоиды, в особенности большие, снабжаются специальными защитными устройствами, предназначенными для быстрого вывода запасенной энергии. Очень заманчиво 1юпытаться использовать сверхпроводники в электротехнике и энергетике.
Ведь в настоящее время потери на джоулево тепло в подводящих проводах оцениваются величиной 30 — 40 %, т. е. более трети всей производимой энергии тратится даром †. на «отопление» Вселенной. Если же передавать электроэнергию по сверхпроводящим проводам с нулевым сопротивлением, то таких потерь не будет вообще. Это все равно, что сразу более чем на трет1 увеличить выработку электроэнергии. На основе сверхпроводников можно создавать электродвигатели и генераторы с высоким КПД и другими улучшенными рабочими характеристиками. Пионером в области внедрения высокотемпературных сверхпроводников в действующую электросеть стала Дания.
С февраля 2001 г. в участок электросети напряжением 30 кВ установлены три куска сверхпроводящего кабеля, каждый длиной 30 м. Аналогичные работы ведутся в пригороде Детройта (США). Если над металлическим кольцом с током поместить сверхпроводящую сферу, то па ее поверхности, в силу эффекта Мейсснера, ипдуцируется сверх- проводящий ток, что приводит к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой, и сфера оказывается висящей над кольцом. Подобный эффект механического отталкивания наблюдается и в том случае, когда над сверхпроводящим кольцом помещается постоянный магнит. Это явление получило название «гроб Магомета», ибо по преданию гроб Магомета висел в пространство без всякой подцержки. Этот эффект часто используется для демонстраций явления сверхпроводимости (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
