Сочинение на тему Сверхпроводники: их история и использование на фабриках

Сверхпроводимость

Определение сверхпроводимости. Сверхпроводимость – это явление, проявляемое некоторыми проводниками, которые не проявляют сопротивления потоку электрического тока. Проводники – это материалы, через которые проходит электронный ток. Есть 4 различных типа проводников. Изоляторы, такие как стекло или дерево, имеют очень высокое сопротивление, в то время как полупроводники, такие как кремний, имеют среднее сопротивление. Проводники, такие как медь и другие металлы, имеют очень низкое сопротивление, а сверхпроводники, состоящие из определенных металлов, таких как ртуть, и керамики, такой как лантан-барий-оксид меди, не имеют сопротивления. Сопротивление является препятствием в потоке электричества. Сверхпроводники также обладают сильным димагнетизмом. Другими словами, они отталкиваются от магнитных полей. Благодаря этим особым характеристикам сверхпроводников электрическая энергия не теряется во время потока, и поскольку возможна магнитная левитация над сверхпроводником, в будущем новая технология может включать в себя высокоскоростные поезда, которые движутся со скоростью 483 км / ч (300 миль / ч) при левитации на воздушная подушка, мощные медицинские системы, которые имеют гораздо больше возможностей, чем сканирование CAT, или даже корабли с магнитным приводом, которые получают энергию от самого океана (Gibilisco 1993, p 28).

Создание материалов становится сверхпроводниками. Когда впервые была обнаружена сверхпроводимость, было установлено, что соединения необходимо охлаждать с точностью до нескольких градусов Кельвина до абсолютного нуля (ноль Кельвинов). Нулевые градусы Кельвина равны -460 градусов по Фаренгейту и -273 градуса по Цельсию. Большое количество охлаждения было сделано путем помещения соединения в жидкий гелий. Гелий, который обычно является газом, сжижается, когда его температура падает до 4 К. Как только материал охладился до этой температуры, он стал сверхпроводником. Однако использование жидкого гелия для охлаждения материала было проблемой. Жидкий гелий очень дорог, а охлаждающее оборудование очень большое (Langone 1989, p 8). В прошлом не было экономических стимулов для замены обычных проводников на сверхпроводники, потому что затраты на охлаждение для сверхпроводников были такими высокими. Ученые пытались найти способы преодоления проблем с охлаждением, и до сих пор они нашли 2.

Во-первых, нужно найти способ охлаждения материала с использованием чего-то менее дорогого и менее громоздкого, чем жидкий гелий. Второй способ заключается в повышении температуры, необходимой для создания сверхпроводимости металлов, или критических температур. Благодаря объединению материалов в сверхпроводящие сплавы температура была немного повышена. К 1933 году критическая температура была на уровне 10 К, и только в 1969 году критическая температура была повышена до 23 К, и ученые безуспешно пытались поднять ее снова. Затем, в 1986 году, 2 исследователя из IBM в Цюрихе обнаружили сложный керамический материал, который был сверхпроводящим при 30 К. После повышения до 39 К в конце 1986 г. Чинг-Ву Чу и его исследовательская группа сообщили о критической температуре 98 К Университет Хьюстона в 1987 году. Затем была использована новая охлаждающая жидкость. Жидкий азот разжижается при 77 К, довольно недорог и может даже перевозиться в термосе (Mayo 1988, p 7). Жидкий азот стоит около 50 центов за литр, а жидкий гелий стоит несколько долларов за литр. Благодаря этому новому открытию могут быть созданы эффективные и экономичные сверхпроводники.

ИСТОРИЯ СУПЕРПРОВОДНИКА

<Р> Discovery. В 1911 году голландский физик Хайке Камерлинг Оннс обнаружил сверхпроводимость во время исследований влияния чрезвычайно низких температур на свойства металлов. Проводя свои эксперименты, он обнаружил, что ртуть перечисляет все сопротивление потоку электричества, когда он охлаждается примерно до 4 К. Затем он продолжал обнаруживать сверхпроводимость в других металлах. В каждом случае материал должен был охлаждаться с точностью до нескольких градусов Кельвина до абсолютного нуля. Чтобы продолжить свои эксперименты, Оннес однажды поместил ток в сверхпроводник, который был сформирован в форме кольца, и охладил его в жидком гелии. Через год после удаления источника электричества ток в сверхпроводнике все еще протекал с первоначальной силой (Hazen 1988, стр. 31). Единственным недостатком нового открытия было то, что ученые не смогли объяснить, как это работает. У многих ученых были теории, но именно Альберт Эйнштейн, возможно, суммировал их лучше всего, сказав в 1922 году: «Из-за нашего значительного незнания сложных квантово-механических систем мы далеки от того, чтобы сформулировать эти идеи во всеобъемлющей теории. Мы можем атаковать проблему только экспериментально »(Simon and Smith 1988, p. 70). Именно это и сделали ученые, потому что прежде чем они смогли объяснить поведение сверхпроводников, им пришлось многому научиться.

<р> Теория. С момента открытия сверхпроводимости в 1911 году ученые пытались объяснить, почему сверхпроводники действуют так, как они. В 1957 году 3 исследователя, Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Р. Шриффер, выдвинули теорию, объясняющую, как работают сверхпроводники. Теория, известная как теория BCS, помогла 3 исследователям получить Нобелевскую премию за ее разработку. Теория BCS гласит, что, когда электроны проходят через сверхпроводник, они объединяются в пары (называемые парами Купера). Эти электронные пары соединяются фононами, которые образуют нечто вроде клеевого вещества (Mayo 1988, p 29). Когда пара протекает через решеточную структуру сверхпроводника, она оставляет за собой след. Затем след будет действовать как путь через решетчатую структуру, по которой могут следовать другие электроны, поэтому они будут избегать столкновений с другими частицами, которые нарушат поток и создадут сопротивление. Теория BCS также объясняет, как сверхпроводник теряет способность проводить электрический ток без сопротивления, когда его температура превышает его критическую температуру. Согласно теории, когда температура сверхпроводящего материала поднимается, атомные колебания внутри материала возрастают до такой степени, что структура решетки начинает вибрировать слишком сильно. Повышенная вибрация вызывает распад электронных пар и разрыв следа, что приводит к потере сверхпроводимости. Однако температуры, необходимые для создания сверхпроводимости в 1957 году, были намного ниже критических температур сегодня, поэтому теория BCS, похоже, больше не объясняет, почему сверхпроводимость возникает в этих новых материалах. Хотя температура выше, ученые все еще считают, что электроны должны спариться. В настоящее время существуют теории, согласно которым электронное спаривание происходит благодаря атомному механизму, который намного сильнее фононов теории BCS. Ученые называют этот механизм экситоном. Теория BCS достаточна для более старых сверхпроводников, но новая теория должна быть найдена для более новых высокотемпературных сверхпроводников. Поскольку в настоящее время разрабатываются новые сверхпроводящие материалы с еще более высокими критическими температурами, новая теория сверхпроводимости, вероятно, не будет широко принята в течение некоторого времени.

Свойства

Эффект Мейснера. Если сверхпроводник охлаждается ниже его критической температуры в магнитном поле, магнитное поле окружает, но не влияет на сверхпроводник (Hazen 1988, стр. 17). Это свойство известно как эффект Мейснера и было впервые обнаружено в 1933 году. Однако, если магнитное поле слишком сильное, сверхпроводник возвращается в нормальное состояние, даже если он охлаждается ниже своей критической температуры. На рисунке 1 показан ток, который магнит индуцирует в сверхпроводящем материале, создавая противомагнитную силу, которая заставляет 2 металла отталкиваться. Используя в качестве критерия способность сверхпроводника «изгнать» магнитное поле (или поток), сверхпроводники можно разделить на 2 группы. Сверхпроводники типа I – это чистые, простые металлы, такие как олово и свинец. Они выпускают магнитное поле, пока поле не достигнет определенной силы. Эта сила называется критическим полем, и критическое поле варьируется для каждого сверхпроводника. Как только магнитное поле превышает критическое поле, сверхпроводник возвращается в нормальное состояние и теряет свои сверхпроводящие свойства.

Сверхпроводники типа II ведут себя немного иначе. Сверхпроводники типа II представляют собой более сложные материалы, часто сплавы переходных металлов. Переходные металлы – это группа связанных элементов Периодической таблицы (Chu 1995, p 1). В сверхпроводнике типа II имеется второе критическое поле, значение которого выше, чем первое критическое поле. Когда магнитное поле больше, чем значение первого критического поля, сверхпроводник больше не отталкивает все поле; однако сверхпроводник продолжает проводить электричество без сопротивления, пока магнитное поле не превысит значение второго критического поля. В настоящее время ученые больше всего заинтересованы в сверхпроводниках типа II.

Плотность тока. Применение большого магнитного поля – не единственный способ устранить сверхпроводимость после того, как сверхпроводник охладится ниже его критической температуры. Прохождение большого тока через сверхпроводящий материал может также привести к тому, что сверхпроводник вернется в свое нормальное состояние (Langone 1989, p. 96). Количество тока, которое материал может проводить, оставаясь сверхпроводящим, называется плотностью тока. Плотность тока измеряется в амперах на площадь. Например, типичное значение для плотности тока сверхпроводящего провода может составлять 100 000 ампер на квадратный сантиметр. Если через сверхпроводник пройдет больший ток, он потеряет все свои сверхпроводящие свойства.