Практики / Криопроводники и сверхпроводники, их применение

Криопроводники и сверхпроводники, их применение (свойства криопроводящих и сверхпроводящих материалов, их использование)

2 Слайд:

Тема моего семинара Криопроводники и сверхпроводники, их применение (свойства криопроводящих и сверхпроводящих материалов, их использование). Для начала рассмотрим на чем основывается физические свойства данных проводников. При снижении температуры в металлических проводниках уменьшается амплитуда ангармонических тепловых колебаний узлов кристаллической решетки. Вследствие этого уменьшается вероятность столкновения дрейфующих под действием электрического поля электронов с ионами решётки, и величина сопротивления проводника уменьшается.

3 Слайд:

При достижении критических температур (ниже 100К) удельная проводимость металлов возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с проводимостью при нормальной температуре. Подобное явление получило название криопроводимости или гиперпроводимости, а материалы, обладающие этими свойствами, соответственно называют криопроводниками или гиперпроводниками. Для достижения особо высоких значений криопроводимости необходима высокая частота и минимальное число искажений кристаллической решетки металла. В качестве криопроводников наибольшее применение находят медь, алюминий и бериллий.

4 Слайд:

Криопроводники используют в различных областях нашей жизни. В электротехнике:

- Обмотки электрических машин, трансформаторов и аппаратов.

- Токопроводящие жилы кабелей и проводов

В электронике:

-Использование в высокочастотных устройствах и системах связи — уникальные свойства криопроводников позволяют достигать высокой скорости передачи данных и минимальных потерь сигнала.

В медицине:

Создание мощных магнитов — криопроводники позволяют генерировать сильные магнитные поля, необходимые в магнитно-резонансной томографии (МРТ) и в ускорителях частиц.

5 Слайд:

В 1911 году голландский ученый Хейг Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении до температуры 4,2 К сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно падает практически до нуля. Это исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью. Температура, при которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводящего перехода Ткр. В дальнейшем помимо ртути явление сверхпроводимости было обнаружено и у других материалов. Такие материалы получили название сверхпроводников. В настоящее время известно 27 простых сверхпроводников (чистых металлов) и более тысячи сложных (сплавов и соединений). Параметры некоторых сверхпроводников приведены в данной таблице.

6 Слайд:

Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то при достижении критического значения напряженности Нкр состояние сверхпроводимости разрушается. Это может быть вызвано также магнитным полем критического тока Iкр, проходящего по сверхпроводнику.

Очень важным свойством сверхпроводников является эффект вытеснения постоянного магнитного поля из объема сверхпроводника.

В зависимости от поведения в магнитном поле выделяют два основных типа сверхпроводников.

Сверхпроводники I рода (мягкие) характеризуются резким переходом в сверхпроводящее состояние при одном (фиксированным) значением Нкр. При этом происходит полное вытеснение магнитного поля из объема сверхпроводника.

Сверхпроводники II рода (твердые) характеризуются при переходе в сверхпроводящее состояние двумя значениями Нкр1 и Нкр2. Область Нкр1 − Нкр2 соответствует смешанному состоянию проводимости материала (сверхпроводимость и криопроводимость) и частичному вытеснению магнитного поля из объема материала.

7 Слайд:

Рассмотрим где применяются сверхпроводники

В транспорте:

-Разработка сверхпроводящих магнитных подвесок для поездов. Это позволяет существенно снизить трение и увеличить скорость движения

- Применение сверхпроводников в электромоторах с вращающимся якорем. Это обеспечивает снижение их веса и габаритов, что важно для морских судов и авиации

В науке:

- Использование сверхпроводящих магнитов в ускорителях частиц. Например, в Большом адронном коллайдере сверхпроводящие магниты создают сильные магнитные поля, необходимые для отклонения и фокусировки пучков.