Сверхпроводимость была открыта более века назад, однако лишь сравнительно недавно она вышла за пределы исследовательских лабораторий и начала завоевывать свое место под солнцем.

Казанский Государственный Энергетический Университет

Сверхпроводники и криопроводники.

Подготовила: Илькевич Аделя Радиевна.

Группа: ЭЭ-10-15.

Г. Казань, 2015.

Содержание.

Введение 3

Сверхпроводники 4

Криопроводники 7 4. Применение сверхпроводников 8

Эффект_Мейснера 11 6. Эффекты_Джозефсона 11

Важные даты 13

Заключение 16

Список используемой литературы 17

Введение.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

Сверхпроводники.

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольцо внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнентиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода. Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Незапятнанные сверхпроводниковые сплавы, именуемые сверхпроводниками I рода различаются от сверхпроводниковых сплавов и хим. соединений (сверхпроводников II рода), а именно тем, что переход из обычного в сверхпроводящее состояние у их происходит скачком, тогда как у сверхпроводников II рода это происходит равномерно.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях.

Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

· при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

· некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Тк, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

· при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

· имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

· зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

· сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

· трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры.

В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

· критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов;

· большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;

· меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Криопроводники.

В современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах. Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками. Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость – частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но конечное значение ρ криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них, хотя эта плотность может быть гораздо выше, чем в обычных металлических проводниках при нормальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне ρ меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости.

Применение криопроводников вместо сверхпроводников в электрических машинах, аппаратах и других электротехнических устройствах имеет свои преимущества. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота упрощает и удешевляет выполнение тепловой изоляции устройства и уменьшает расход мощности на охлаждение. Наибольший интерес для применения в качестве криопроводникового материала представляют: алюминий при температуре жидкого водорода, а при температуре жидкого азота – бериллий.

Таким образом, проблема выбора оптимального криопроводникового материала сводится к следующему: применить легко доступный и дешевый алюминий и получить наименьшее возможное для криопроводника значение удельного сопротивления, но пойти на использование для охлаждения устройства жидкого водорода, что все же требует преодоления некоторых затруднений и, в частности, необходимости учета взрывоопасности водородно-воздушной смеси; или же применять более дорогой, дефицитный, сложный в технологическом отношении бериллий, но зато использовать в качестве хладагента более дешевый и легко доступный жидкий азот и тем самым уменьшить затраты мощности на охлаждение.

Во всех случаях для получения высококачественных криопроводннков требуются высокая чистота металла и отсутствие наклепа. Вредное влияние примесей и наклепа на удельное сопротивление металлов при криогенных температурах выражено значительно сильно, чем при нормальной температуре.

Применение сверхпроводников.

Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на:

· различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;

· микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей, цифровая электроника, искусственные биологические системы;

· макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

Рассмотрим несколько наиболее важных отраслей применения.

А) В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Высокая плотность тока в сверхпроводниках позволяет уменьшать размеры оборудования, а также создавать магнитные поля высокой интенсивности, недостижимые обычной аппаратурой. Ограничивающим фактором является необходимость поддержания проводника при низкой температуре, что само по себе требует энергозатрат, поэтому наиболее актуальны применения в устройствах большой мощности. В этом случае затраты на криообеспечение пренебрежимо малы.

В настоящее время промышленность США уже имеет коммерческие ВТСП изделия - трансформаторы, электрические моторы, токоограничители и силовые кабели. С ростом производства изготовители ВТСП кабелей будут способны установить их во всех электросетях США. ВТСП кабели имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. ВТСП кабели не воздействуют на окружающую среду – они не излучают электромагнитные поля, в них не используют для охлаждения при подземной прокладке технические масла, как в случае традиционных кабелей. Исключение суммы потерь (4 млрд. долл. ежегодно) может компенсировать относительно высокую на данное время стоимость ВТСП кабеля.

Б) Кто из нас не мечтал в детстве летать? Не так давно в Тель-Авивском университете прошла презентация проекта Superconductivity Group, которая наглядно показала, что эта мечта может сбыться.

Суть квантовой левитации состоит в том, что благодаря правильному использованию физических свойств сверхпроводников их возможно не просто удержать в воздухе, но и заставить двигаться над и даже под магнитными "рельсами" с умопомрачительной скоростью.

В) Несмотря на кажущуюся простоту, трение остается дискуссионной и плохо изученной проблемой. В частности, отсутствие ясной взаимосвязи между трением на микро- и макроскопическом уровне не позволяет вывести фундаментальный закон, позволяющий одинаково правильно описывать это явление на разных масштабах.

С изобретением в 1986 году атомно-силового микроскопа с кантилевером с микроскопической иглой на конце исследование трения переместилось на атомарный уровень, а сама наука о силе трения превратилась в нанотрибологию.

Оказалось, что прояснить ситуацию помогает явление сверхпроводимости.

Неконтактное трение имеет двойную природу: электронное трение (электростатическое плюс ван-дер-ваальсово) и фононное.

Парное объединение электронов при сверхпроводимости проводимости приводит к тому, что они начинают вести себя как единое целое. Благодаря этому единству электроны без потерь энергии двигаются через кристаллическую решетку, игнорируя ее сопротивление.

Значит, если электроны становятся невосприимчивы к препятствиям на своем пути, они не будут реагировать и на внешний раздражитель в виде иглы микроскопа. Следовательно, в системе «игла кантилевера — сверхпроводящая поверхность» вклад в трение будет давать лишь фононная часть, а электронная будет равна нулю.

Группа ученых из Швейцарии и Испании под руководством Эрнста Мейера ряд таких экспериментов, которые доказали, что трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы.

Г) Возможность существования сверхпроводимости при комнатной температуре и выше обосновали лауреат Нобелевской премии В.Л.Гинзбург и У. Литтл. Ими показано, что одной из самых важных проблем в области нанотехнологии является создание комнатнотемпературных сверхпроводников (КТСП). Нанотехнология КТСП позволяет конструировать искусственные слоистые сверхпроводниковые наноструктуры, нанося атомные слои не только из тех материалов, у которых параметры кристаллической решетки близки друг к другу (как требуется для полупроводниковых структур). При нанотехнологии можно использовать гораздо большее разнообразие проводников и диэлектриков, нанося их монослои с атомной точностью для создания искусственных электронного и фононного спектров, необходимых для КТСП. Именно это позволяет сделать исследования и производство сверхпроводящих материалов неким “полигоном” для отработки нанотехнологических методов для сильнокоррелированных структур. Поэтому, создание КТСП - это, в значительной мере, нанотехнологическая проблема и, на мой взгляд, одна из важнейших.

В настоящее время сверхпроводник, работающий при комнатных температурах, может быть изготовлен как в объемном, так и в пленочном виде.

Будущее.

Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера, и к появлению совершенно новых технологических нововведений.

Одним из самых перспективных направлений является комнатная сверхпроводимость. Оно будет усиленно развиваться, т.к. имеет огромное значение.

В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии. Еще одно перспективное применение сверхпроводников – в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах, и на автомобильном транспорте.

Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд будет двигаться плавно, без шума и трения и будет способен развивать очень большую скорость. Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Эффект_Мейснера.

В течение почти четверти века считали, что единственным характеристическим свойством сверхпроводящего состояния является отсутствие электрическᴏᴦᴏ сопротивления. Но при этом, такой подход приводит к неоднозначному описанию сверхпроводящей фазы.
Эксперимент, иллюстрирующий переход из сверхпроводящего состояния в обычное продемонстрировал, что в свою очередь сверхпроводники - нечто большее, чем идеальные проводники. Они обладают дополнительным свойством, отсутствующим у металла, просто лишенного сопротивления: металл в серхпроводящем состоянии никогда не позволяет магнитному потоку проникнуть внутрь.
Когда сверхпроводник охлаждается в слабом магнитном поле, то при температуре перехода на его поверхности возникает незатухающий ток, циркуляция которого обращает внутᴩᴇʜний магнитный поток в нуль. Это явление, заключающееся в том, что внутри сверхпроводника плотность магнитного потока всегда, даже во внешнем магнитном поле, равна нулю, называется эффектом Мейснера.
Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника можно пояснить на ᴏϲʜове представлений о намагниченности. В случае в случае если экранирующие токи, полностью компенϲᴎрующие внешнее магнитное поле, сообщают образцу магнитный момент m, то намагниченность M выражается соотношением

M=m/V,
где V - объем образца. Можно говорить о том, что экранирующие токи приводят к появлению намагниченности, соответствующей намагниченности идеального ферромагнетика с магнитной восприимчивостью, равной минус единице.

Эффекты_Джозефсона.

В 1962 г. Б. Джозефсон, аспирант Кембриджскᴏᴦᴏ универϲᴎтета, размышляя над тем, что будет, в случае если сблизить два сверхпроводника на расстояние ʜᴇскольких ангстрем, высказал предположение, что куперовские пары должны за счет "туннельного" эффекта переходить из одного сверхпроводника в другой при нулевом напряжении.

Было предсказано два замечательных эффекта. В первую очередь через туннельный сверхпроводящий контакт (переход, представляющий собой два сверхпроводника, разделенные слоем диэлектрика) возможно протекание сверхпроводящего (бездисϲᴎпативного) тока. Критическое зʜачᴇʜᴎе ϶ᴛᴏго тока завиϲᴎт от внешнего магнитного поля. Далее в случае если ток через контакт превосходит критический ток перехода, то контакт становится источником высокочастотного электромагнитного излучения. Первый из этих эффектов называют стационарным эффектом Джозефсона, второй — ʜᴇстационарным. Оба эффекта хорошо наблюдаются экспериментально. В частности, наблюдались осцилляции макϲᴎмального сверхпроводящего тока через переход при увеличении магнитного поля. В случае в случае если ток, задаваемый внешним источником, превыϲᴎт критическое зʜачᴇʜᴎе, то на переходе появляется напряжение V, периодически зависящее от времени. Опубликовано на xies.ru! Частота колебаний напряжения завиϲᴎт от того, насколько ток через контакт превышает его критическое зʜачᴇʜᴎе.

Конечно, сблизить два сверхпроводника на расстояние ʜᴇскольких ангстрем невозможно. По϶ᴛᴏму в экспериментах на подложку напылялся тонкий слой сверхпроводящего материала, такᴏᴦᴏ, как алюминий, затем ᴏʜ окислялся с поверхности на глубину ʜᴇскольких ангстрем, а сверху напылялся еще один слой алюминия. Напомним, что окϲᴎд алюминия — диэлектрик. Такой "сэндвич" эквивалеʜᴛᴇн двум сверхпроводникам, расположенным на расстоянии ʜᴇскольких ангстрем друг от друга.

Эффект Джозефсона обусловлен фазовыми соотношениями между электронами в сверхпроводящем состоянии. Выше говорилось, что в свою очередь суть сверхпроводящего состояния — в когеᴩᴇʜтном движении куперовских пар через атомную решетку. Когеᴩᴇʜтность куперовских пар сверхпроводника определяется тем, что в свою очередь пары электронов движутся "в фазе". Куперовские же пары двух разных сверхпроводников движутся "не в фазе". Так, каждый солдат марширующей роты идет в ногу с любым другим солдатом своей роты, но не в ногу с солдатами другой роты. В случае в случае если два сверхпроводника тесно приблизить друг к другу, то куперовские пары могут туннелировать через зазор между ними. При туннелировании фаза куперовской пары изменяется. В случае в случае если изменение таково, что куперовская пара начинает идти "в ногу" с парами во втором сверхпроводнике, то туннелирование возможно. Это и происходит в стационарном эффекте Джозефсона. Величиной магнитного поля определяется сдвиг фазы, который приобретают туннелирующие пары.

Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда ток через переход превышает критическое зʜачᴇʜᴎе для стационарного эффекта Джозефсона. Важно понимать, что между двумя сверхпроводниками возникает напряжение, которое вынуждает фазы в двух сверхпроводниках изменяться во времени. Опубликовано на xies.ru! Это в свою очередь приводит к колебаниям туннельного тока (с изменением его направления) в соответствии с изменениями разности фаз в двух сверхпроводниках.

Эффект Джозефсона может иметь много приложений, но ᴏʜ может быт и паразитным. Важно заметить, что он возникает на границах зеᴩᴇʜ в поликристаллических образцах новых сверхпроводников и препятствует, например, попыткам измеᴩᴇʜия лондоновской глубины проникновения.

Важные даты.

Дата	Исследователь	Открытие
8 апреля 1911г.	Хейке Камерлинг-Оннес	Обнаружил, что при 3 Кельвинах электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Во время дальнейших экспериментов ситуация повторялась.
1912г.	Хейке Камерлинг-Оннес	Обнаружено, что свинец и олово переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах.
1914г.		Было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем.
1919г.		Было доказано, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.
1930г.	Л.В. Шубников и В. Де Гааз	Эффект Шубникова - де Гааза - осцилляции магнетосопротивления плёнок висмута при низких температурах
1933г.	Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд	Эффект Мейснера - полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при переходе в сверхпроводящее состояние
1934г.	Пётр Леонидович Капица	Получил жидкий гелий на созданной им установке для ожижения гелия адиабатическим методом, в которой поршневой детандер работал при температуре 15 К на газовой смазке
1935г.	Фриц и Хайнц Лондон	Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости.
1950г.	Л.Д. Ландау и В.Л. Гинсбург	Построена более общая теория
1952г.	А.А. Абрикосов	Выдвинул идею о существовании сверхпроводников II рода
1957г.	Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер	Объяснили сверхпроводимость на микроскопическом уровне. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.
1960г.	А.А. Абрикосов и Л.П. Горьков	Разработали теорию сверхпроводников с магнитными примесями и предсказали явление бесщелевой сверхпроводимости.
1960г.	Дж. Кюнцлер	Открыл материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².
1962г.	Брайан Джозефсон	Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника
1964г.	Билл Литл	Выдвинул предположение о возможности создания органических сверхпроводников (на основе углерода)
	Филип Уоррен Андерсон	Разработал три теории: локализации, антиферромагнетизма и высокотемпературной сверхпроводимости
1971г.	Дуглас Дин Ошеров, Дэвид Морис Ли и Роберт Колман Ричардсон	Открытие сверхтекучести гелия-3.
1980г.	Клаус Бечгаард	Создал органический сверхпроводник при температуре 1,2 K и очень высоком давлении.
1986г.	Георг Беднорц и Карл Мюллер	Открыли сверхпроводимость у керамики на основе оксидов меди, лантана и бария с температурой перехода 30К. Появился новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных.
1987г.		Достигли 92 градусов К, заменив в формуле, открытой Мюллером и Беднорцом, Иттербий на Лантан.
1987г.	Стивен Чу	Синтезировал керамику из оксидов бария, иттрия и меди с критической температурой 93 К.
1988г.	Аи Маеда	Синтезировал серию соединений состава Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, среди которых фаза с n=3 имела Тс=108К.
1988г.	Шенг и Харман	Получили сверхпроводник Tl2Ba2Ca2Cu3O10 c T с = 125K.
1993г.	Антипов и Путилин	Открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников, среди которых и рекордсмен, имеющий наибольшее известное значение критической температуры – 135К.
2001г.	Дэниел Дюрек	Синтезировал объемный сверхпроводник на основе химического соединения Ag5Pb2O6, который имеет сверхпроводимость в диапазоне температур 215..525 К.

Заключение.

Сверхпроводимость была открыта более века назад, однако лишь сравнительно недавно она вышла за пределы исследовательских лабораторий и начала завоевывать свое место под солнцем.

Список используемой литературы.