Исследовательская работа.Тема: «Сверхпроводники»

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №5 с углубленным изучением химии и биологии

Учебная работа в рамках

Менделеевских чтений

Тема: «Сверхпроводники»  

                                                                                     Работу выполнила:

              Иванова Мария

       обучающаяся 10Т класса                              Руководитель:

          Куракова Надежда    

               Александровна
           учитель физики

                                           г. Старая Русса

                                                        2018г

                                  СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение                                                                                 стр. 1                                                                                    
2. Историческая справка                                                           стр. 2
3. Принцип работы                                                                    стр. 4
4. Свойства сверхпроводников                                                стр. 5
5. Применение сверхпроводников                                           стр. 6
6. Вывод                                                                                      стр. 7
7. Список литературы                                                                стр. 8

                            Введение

Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий двадцатого столетия и заключается в способности некоторых веществ при очень низких температурах проводить электричество без сопротивления, т.е. становиться сверхпроводниками. Как было выяснено, сопротивление металлических проводников уменьшается при понижении температуры. Однако до конца XIX в. нельзя было проверить, как зависит сопротивление проводников от температуры в области очень низких температур.

Цель: изучить принцип действия сверхпроводников и способы их применения.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1.Узнать историю открытия;

2. Изучить принцип действия;

3.Выявить виды и свойства сверхпроводников;

4. Узнать о применение сверхпроводников.

                                                                                                   1                                              

                            Историческая справка  

• Сверхпроводник — материал, электрическое сопротивление которого при понижении температуры до некоторой величины становится равным нулю. При этом говорят, что материал приобретает «сверхпроводящие свойства» или переходит в «сверхпроводящее состояние».
• Хейке Камерлинг Оннес – голландский физик, разработавший и сконструировавший ожижительную установку, на которой в 1906 г. получил жидкий водород. В 1911 г. он впервые наблюдал резкое падение электрического сопротивления ртути при температуре ниже 4,25 K. Это явление получило впоследствии название сверхпроводимости. В 1913 г. Оннес обнаружил разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами.
• Лев Давидович Ландау – легендарная фигура в истории отечественной и мировой науки. Он получил свою Нобелевскую премию по физике в 1962 г. за «пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия».
• Джон Бардин  в 1972 г. совместно с Леоном Купером и Джоном Шриффером получил Нобелевскую премию по физике за созданную их совместными усилиями теорию сверхпроводимости, обычно называемую БКШ-теорией – основополагающую теорию обычных сверхпроводников.
• Брайан Дэвид Джозефсон в 1962 г. открыл и теоретически предсказал явление прохождения электронов через тонкий слой диэлектрика, помещенный между двумя сверхпроводящими металлами. В 1973 г. Джозефсон стал лауреатом Нобелевской премии «за теоретическое предсказание свойств тока, проходящего через туннельный барьер. В тот же год Нобелевской премии были удостоены Лео Эсаки и Айвор Джайевер «за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках».                                                                                                                                                                                               
• Филип Андерсон в 1977 г. получил Нобелевскую премию по физике вместе с Нэвилом Моттом и Джоном ван Флеком «за                                                                                                   фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем», которые дали толчок развитию электронных переключателей и устройств памяти в компьютерах. 
• Пётр Леонидович Капица в 1934 г. получил жидкий гелий на созданной им установке для ожижения гелия адиабатическим методом. Этот ожижитель стал основой быстрого прогресса в физике низких температур.

                                                                                                   2

Он открыл и экспериментально исследовал явление сверхтекучести жидкого гелия, а также разработал установки для промышленного производства жидкого кислорода.

• Дуглас Дин Ошеров, Дэвид Морис Ли и Роберт Колман Ричардсон были удостоены Нобелевской премии по физике 1996 г. «за открытие сверхтекучести гелия-3».
• Эрик Аллин Корнелл, Вольфганг Кеттерле и Карл Виман получили Нобелевскую премию по физике в 2001 г. «за достижения в изучении процессов конденсации Бозе-Эйнштейна в среде разряженных газов и за начальные фундаментальные исследования характеристик конденсатов».
• Алексей Алексеевич Абрикосов совместно с Н. В. Заварицким обнаружил при проверке теории Гинзбурга – Ландау в 1957 г. новый класс сверхпроводников – сверхпроводники второго рода. В.Л. Гинзбург в 1950 г. создал совместно с Л.Д. Ландау полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости, а в 1958 г. совместно с Л.П. Питаевским полуфеноменологическую теорию сверхтекучести. В 2003 г. А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург совместно с Энтони Джэймсом Леггетом получили Нобелевскую премию по физике ««за создание теории сверхпроводимости второго рода и теории сверхтекучести жидкого гелия-3».              

                                                                                                     3                                                                 

                             Принцип работы

 В 1911 году Камерлинг Оннес сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля, он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.

 В 1957 года еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь. Суть теории заключается в том, что два электрона в пустоте отталкиваются, но в металле положительные заряды ядер экранируют отрицательные заряды электронов, и отталкивание может почти полностью исчезнуть. Во многих случаях экранировка оказывается неполной, и тогда сверхпроводимость не наблюдается. В некоторых случаях решетка сжимается вокруг электрона, создавая, таким образом, облако положительных зарядов, обволакивающее этот электрон и притягивающее другие электроны. Результатом является возникновение незначительного притяжения между электронами. Поскольку это притяжение слабое, оно приводит всего лишь к тому, что электроны передвигаются парами; таким образом, возникает связь в тысячи раз слабее химической. Следовательно, куперовская пара подобна молекуле „двухэлектрона“, а переход в состояние сверхпроводимости можно считать превращением электронного газа в газ, состоящий из таких „молекул“.                                             

                                                                                                     4 

                          Свойства сверхпроводников

• Явление сверхпроводимости возникает в металлах и их сплавах при очень низких температурах (25 К и ниже). Существуют справочные таблицы, в которых указываются критические температуры некоторых веществ.
• Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, следовательно, не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
• Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле, а магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
• При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах.

                                                                                                     5

                                           Применение

В последние годы явление сверхпроводимости все более широко используется при разработке турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Следует также отметить такое направление в работах по сверхпроводимости как создание устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.

Более подробно рассмотрим следующие направления в использование сверхпроводников:

Энергетика. Сверхпроводящие кабели способны передавать огромную энергию на большие расстояния совершенно без потерь. Отсутствие потерь энергии при передаче в таких линиях позволит отказаться от строительства ряда новых электростанций. Сверхпроводящие материалы могут служить также «накопителями» энергии. Сверхпроводящие обмотки электромагнитов дают возможность получить сверхмощные магнитные поля, использую при этом небольшие установки.

Скоростные поезда. На явлении магнитной левитации основана идея устройства поездов, которые, «паря» в воздухе над магнитным полем, развивали бы огромную скорость движения.

Экранирование. Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное  излучение. Используется в микроволновых устройствах, а также при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве

Аккумулирование. Возможность сверхпроводников аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока используется в современных промышленных аккумуляторах.

Вычислительные устройства. Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры. Ток в сверхпроводящих системах — идеальное запоминающее устройство, способное хранить колоссальное количество данных и выдавать их с фантастической скоростью.           

                                                                                                     6                                                                                                                                                                                                                                                        

                                          Вывод

Из всего вышеприведенного можно сделать вывод, что сверхпроводимость это крайне интересная и ещё не до конца изученная особенность различных веществ. Но основным минусом, не позволяющем ввести сверхпроводники в повседневную жизнь, являются низкие температуры перехода веществ в сверхпроводящее состояние. И если мы сможем преодолеть этот недостаток, сверхпроводники изменят нашу повседневную жизнь и уровень земных технологий. Ведь спустя почти сто лет со времени открытия сверхпроводимости она из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник миллиардных доходов предприятий электронной индустрии.

                                                                                                     7                                                                                                  

                                    Список литературы

1. Учебник для 10 класса школ и классов с углубленным изучением физики. О. Ф. Кабардин, В. А.Орлов, Э. Е. Эвенчик, С. Я. Шамаш и др. (2001 год), издательство «Просвещение»
2. Книга «Сверхпроводимость». Виталий Гинзбург, Евгений Андрюшин (2006 год), издательство «Альфа-М»

Интернет ресурсы:

1. https://www.nkj.ru/archive/articles/4751/
2. http://megabook.ru/article/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA
4. http://electricalschool.info/spravochnik/material/115-svekhprovodniki-i-krioprovodniki.html

                                                                                                     8