Подальший розвиток

Після відкриття Камерлінґ-Оннеса надпровідність було встановлено в інших матеріалах та сплавах. Важливим наріжним каменем в дослідженні властивостей надпровідників було відкриття ідеального діамагнетизму надпровідників (або виштовхування зовнішнього магнітного поля з надпровідника), відомого як ефект Мейснера-Оксенфельда в 1933 році. В 1935 році брати Фріц та Хайнц Лондони запропонували першу теорію надпровідності, яка хочай була повністю феноменологічною, проте пояснювала ефект Мейснера-Оксенфельда. Наступним кроком була запропонована в 1950 році Гінзбургом та Ландау Лев Давидович нова феноменологічна теорія, яка вперше враховувала квантовомеханічну природу явища. В межах цієї теорії Олексієм Абрикосовим в 1957 році було передбачено існування надпровідників II роду. В тому ж році Бардін, Купер та Шрифер опублікували роботу, в якій дали мікроскопічне пояснення явища надпровідності, яке одержало назву Теорії Бардіна-Купера-Шрифера.

Властивості надпровідників

Надпровідність характеризується абсолютним діамагнетизмом. У магнітному полі в надпровідному матеріалі виникають такі струми, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле виштовхується із надпровідника. Завдяки цій властості виникає явище, яке отримало назву гріб Магомета - левітація магніта над надпровідником (або надпровідника над магнітом). Сильне магнітне поле руйнує надпровідсть. Проте надпровідники розрізняються за своєю поведінкою у відносно сильних магнітних полях, у залежності від поверхневої енергії границі розділу надпровідної й нормальної фаз. У надпровідників I роду ця поверхнева енергія додатня, й надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний рівень, який називається критичним магнітним полем. У надповідників II роду поверхнева енергія границі руйнується повністю. Надпровідники другого роду використовуються для створення надпровідних електромагнітів.розділу нормальної та надпровідної фаз від'ємна, тож магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне значення (воно називається першим критичним полем), починає проникати в надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові струми (див. Абрикосівський вихор). Якщо збільшувати магнітне поле далі, то нормальних областей стає дедалі більше, й при критичному полі надпровідність

Теорії надпровідності

Явище надпровідності — макроскопічне (видиме) проявлення квантової природи речовини: атомів та електронів. Відомо, що електрони в атомі можуть перебувати тільки в певних станах, яким відповідають дискретне значення енергії. Таким чином атом може поглинати і випромінювати енергію певними порціями — квантами. Однак, якщо ми перейти до макроскопічного тіла, де концентрація електронів перевищує 10²² см^-3, то квантовий характер зміни енергії кожного електрону «змазується» великою кількістю таких електронів, що поглинають або випромінюють енергію, і ми бачимо суцільний спектр поглинання або випромінювання енергії макроскопічними тілами.

Надпровідність – надзвичайно цікаве й деякою мірою загадкове фізичне явище, яке при практичному застосуванні має принести людству незліченні здобутки. Надпровідний струм є бездисипативним, тобто при протіканні постійного струму в надпровіднику не виникають звичайні резистивні втрати. Це причина, завдяки якій використання надпровідних пристроїв виявляється одним з найбільш важливих і перспективних шляхів енергозбереження. Оцінки показують, що застосування надпровідності дозволить зменшити втрати при генерації, передачі, трансформації та використанні електроенергії з приблизно 30-35% до 1-2%, що є рівнозначним побудові кількох нових потужних атомних електростанцій в Україні.

Еквівалентний опір.

Опір, при включенні якого замість всіх інших провідників, що знаходяться між двома крапками ланцюга, струм і напруга залишаються незмінними, називають еквівалентним опором цих провідників. При послідовному з"єднанні резисторів їх сумарний опір рівний сумі опорів окремих резисторів R= R₁+R₂+R₃+….

Опір R називають еквівалентним резистором.

Паралельне з"єднання провідників. Напруги на всіх резисторах будуть рівні, тому U=U₁=U₂=U₃ , а струм І буде рівний сумі струмів на кожному резисторі: І=І₁+І₂+І₃. Тоді еквівалентний опір кола рівний:

1\R =1\R₁ +1\R₂+....1\R_n

Електрорушійна сила ( ЕРС ) рівна:

ε = ІR+ Ir ( 2 ), де

R - це опір зовнішнього навантаження, а r - це внутрішній опір електричної батареї. R₁ R₂ R₃

Формула виражає закон Ома для повного кола. Електрорушійна сила завжди більша за номінальну напругу електричної батареї живлення.

закони Кірхгофа.

Досить частенько нам потрібно обчислити струм та ЕРС у колах, що містять декілька електричних батарей, а резистори з”єднані змішано, тому скористатися законом Ома у даному випадку не можна.

Для обчислення струму та напруги у колі за таковых разумов використовують правила Кірхгофа, яких є два.

Перше правило Кірхгофа: сума струмів, що входять у вузол рівна сумі струмів, що виходять із вузла. Цей закон, по суті, є законом збереження електричного заряду.

Σ I_n = І₀

Друге правило Кірхгофа: сумарна зміна потенціалів у вибраному замкнутому контурі рівна нулю.

Σ U_n =0

Закони Кірхгофа використовують для обчислення параметрів складних електричних кіл.

Л.С.Жданов. Підручник по фізиці для середніх спеціальних навчальних закладів. § 17.5-17.6, стор.167 - 171. § 18.14 - 18.16 стор. 208 -211

. § 19.1 -19.4. стор. 213 -218.

Питання для самоперевірки.

1.Запишіть основну формулу по який можна визначити щільність струму.

2. У чому особливість надпровідності? Який учений відкрив надпровідність?

3. Сформулюйте властивості надпровідності?

4.Який опір називають еквівалентним?

_{2.9.1. Приклади рішення задач}

_{Задача № 1}

_{Між катодом і анодом діода прикладена напруга 100 В. Яку роботу зробить електричне поле по переміщенню електронів від катода до анода за 1 час, якщо щосекунди з катода емітує 1 · 10}¹⁶ _{електронів? В анодному ланцюзі існує струм насичення.}

_{Дане: Рішення:}

_{U = 100В Робота електричного полючи по переміщенню}

_{t = 1ч 3600с електронів дорівнює A=q. Кількість зарядів,}

_{N = 1 · 1016 переміщених полем між катодом і анодом}

_{А = ? за 1 час можна визначити, з огляду на, що в ланцюзі струм насичення; коли всі електрони, эмиттировавшие з катода долітають до анода. Отже,}

_{q = Nte, де}

_{е - заряд електрона.}

_{Зробивши підстановку, одержимо:}

_{A = Nte.}

_{Перевіримо розмірність:}

_{[A] = c Кл В = Дж.}

_{А = 1 · 10}¹⁶ _{· 3600 · 1,6 · 10}^-19 _{· 100 = 576 (Дж)}

_{Задача № 2}

_{Для сріблення ложок струм 1,8 А пропускається через розчин солі срібла протягом 5 часів. Катодом служать 12 ложок, кожна з який має площу поверхні 50см}²_{. якої товщини куля срібла відкладеться на ложках? Електрохімічний еквівалент срібла дорівнює 1,118мг/Кл.}

_{Дане: Рішення:}

_{І = 1,8 Товщину шаруючи срібла, що відклалося}

_{N = 12 на поверхні ложок, визначимо по}

_{S1 = 50см}² _{5 · 10-3 м}² _{його обсягу: V = NS1d, де NS1 -}

_{k = 1,118мг/Кл 1,118 · 10-6мг/Кл площа поверхні всіх ложок.}

_{d =? Обсяг срібла визначимо по його масі і щільності, узятої з таблиці і дорівнює 10,5 · 103кг/м}³_:

_m=ρV.

_{Масу срібла, що виділилося на поверхні ложок при електролізі визначимо за законом Фарадея:}

_m=kіt.

_{Зробивши підстановку і вирішивши отримане рівняння відносно d, одержимо:} d=kIt/ρNS₁.

_{Перевіримо розмірність:}

(кг/Кл) Ас

[d] = ----------------- = м

(кг/м³)м³

_{Зробимо обчислення:}

_{d = 1,118 · 10}^-6 _{· 1,8 · 1,8 · 10}⁴_{/10,5 · 10}³ _{· 12 · 5 · 10}^-3 _{= 5,7 · 105 (м)}

_{Задача № 3}

_{Визначите довжину вільного пробігу електрона в електродній трубці, заповненої розрідженим азотом, у момент виникнення ударної іонізації, якщо напруженість електричного полючи між електродами трубки}