210 сверхпроводники. Сверхпроводимость и сверхпроводники 2 Виды сверхпроводников 3
 Скачать 36.02 Kb.
|
|
Содержание Сверхпроводимость и сверхпроводники 2 Виды сверхпроводников 3 Применение сверхпроводников 7 Экономическая эффективность применения сверхпроводников 11 Литература 12 Сверхпроводимость и сверхпроводникиСверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения. Существует множество чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина, и поэтому имеет смысл определённое значение Тк – температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь – от наличия примесей и внутренних напряжений. Материалы, в которых проявляется свойство сверхпроводимости, называют сверхпроводниками. Сверхпроводники, вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической (Тк). Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов, в сверхпроводящее состояние могут переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники. Существуют сверхпроводящие сплавы, в которых отдельные компоненты или даже все компоненты сплава сами по себе не являются сверхпроводниками. В основе теоретического объяснения явления сверхпроводимости заложено представление об образовании электронных куперовских пар. В сверхпроводнике взаимодействие электронов друг с другом происходит в результате обменного фононного взаимодействия через кристаллическую решетку. Это означает, что сверхпроводимость должна наблюдаться у веществ, характеризующихся сильным взаимодействием электронов проводимости с ионами решетки кристалла и поэтому являющимися относительно плохими проводниками в обычных условиях Если взаимодействие электронов с решеткой слабое, (вещество – хороший проводник), то перехода в сверхпроводящее состояние зарегистрировать не удается (медь, серебро, золото). Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферромагнетизм или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция SrTiO3, относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников можно перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей. Виды сверхпроводниковВ зависимости от поведения сверхпроводников в магнитном поле различают сверхпроводники I и II рода. Сверхпроводники I рода Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры Тк и критической напряженности магнитного поля Нк у них малы (максимальное значение Тк и Нк в этой группе материалов имеет свинец: Тк=7,2 К, Нк=65кА/м, а минимальное — вольфрам, у которого величина Тк = 0,01 К, а Нк =0,1 кА/м), что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера. Сверхпроводникам I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Низкие значения Нк у сверхпроводников I рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию. Большинство металлов — сверхпроводники I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. Поэтому большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Сверхпроводники II рода Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Тк и Нк у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Нк1, верхнее критическое значение поля Нк2. При достижении магнитным полем величины Нк1начинается проникновение магнитного поля в сверхпроводник, и электроны, скорость которых перпендикулярна Н, под влиянием силы Лоренца начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити. Ствол нити остается нормальным, несверхпроводящим металлом, вокруг которого движутся электроны, обеспечивая сверхпроводимость. В результате материал обладает как сверхпроводящей составляющей, так и нормальной проводимостью. Т. е. в таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем. В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. При возрастании магнитного поля и достижении более высоких значений Нк2 нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. При достижении критического значения поля Нк2 магнитное поле полностью проникает в объём сверхпроводника. Значения Нк2 для таких сверхпроводников, как Nb3Sn и PbMo6S составляют величину порядка105Э. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля — системах магнитной подвески транспортных средств, устройствах удержания плазмы в термоядерных реакторах и т. д. Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тк = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз. Жесткие сверхпроводники Сверхпроводники II рода, имеющие структурные неоднородности (дефекты решетки, примеси), называют «жесткими» сверхпроводниками. Часто «жесткие» сверхпроводники II рода выделяют в самостоятельный класс — сверхпроводники III рода. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления, например при пластическом деформировании, протяжке и т. д. К «жестким» сверхпроводникам относится большая группа сплавов на основе ниобия и ванадия. Например, такие сплавы, как Nb-Ti, V-Ga, Nb-Ge. Тонкие пленки из сверхпроводниковых металлов Al, Bi, Nb также являются «жесткими» сверхпроводниками. В жестких сверхпроводниках движение магнитного потока сильно затруднено дефектами и кривые намагничивания обнаруживают сильный гистерезис. По тем же причинам в этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Нк2 полей при любой ориентации тока и магнитного поля. Следует отметить, что в идеальном сверхпроводнике, полностью лишенном дефектов (к этому состоянию можно приблизиться в результате длительного отжига сплава), при любой ориентации поля и тока, за исключением продольной, сколь угодно малый ток будет сопровождаться потерями на движение магнитного потока уже при Н > Нк1. Нижнее критическое поле Нк1 обычно во много раз меньше Нк2. Поэтому именно жесткие сверхпроводники, у которых электрическое сопротивление практически равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений. Их применяют для изготовления обмоток магнитов сверхпроводящих и других целей. Существенным недостатком жёстких сверхпроводников является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям типа V2Ga, Nb3Sn и др. Высокотемпературные сверхпроводники В настоящее время все вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние условно разделяют на две большие группы: низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. К низкотемпературным сверхпроводникам относят сверхпроводники, у которых Тк = 25 К. К таким сверхпроводникам относятся некоторые металлы и сплавы, ряд полупроводников и интерметаллических соединений типа NbN, TaC. В 1986 были открыты высокотемпературные сверхпроводники, у которых Тк выше температуры жидкого азота, равной 77 К. К ним относятся сложные соединения — керамика на основе оксида меди (например, Tl2Ca2Ba2Cu3O10 с Тк=127 К) и другие оксидные сверхпроводники. Оксидные высокотемпературные сверхпроводники являются соединениями с ионно-ковалентной связью и дефектной по кислороду перовскитно-подобной кристаллической структурой с упорядоченным расположением кислородных вакансий. Все известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники являются оксидами, большинство из которых содержат медь, но имеются также и соединения без меди. Все соединения кристаллизуются в идеальном или нарушенном структурном типе перовскита. Особое значение в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках имеет состояние кислородной подрешетки, т.е. концентрация, структурное положение и подвижности атомов кислорода в кристаллической структуре. Это вызвано тем, что с кислородом в оксидных сверхпроводниках связывают как понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и объяснение нестабильности свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Применение сверхпроводниковИнтерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50-х годах, когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение. Первым промышленным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960-х годов магнитные поля выше 10 Тл даже в небольших лабораториях. Ранее создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало очень больших количеств электроэнергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения. Реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Наиболее широко сверхпроводники стали применять в ускорительной технике, при построении детекторов частиц в физике высоких энергий, в исследовательских установках термоядерного синтеза, в ядерно – магнитных спектрометрах при изучении структуры материалов, в медицинских магниторезонансных томографах. В 1980-х годах в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля. В настоящее время только благодаря применению сверхпроводников реализовалась возможность создания крупных физических установок, выполняемых по международным программам – большой адронный коллайдер LHC международный опытный термоядерный реактор – ITER. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволяет существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Применение ВТСП в сильноточной технике будет иметь наиболее радикальные экономические последствия. Это направление включает в себя создание электроэнергетических устройств и систем, вырабатывающих, передающих и преобразующих электроэнергию в промышленных масштабах. Основой этого направления является способность сверхпроводников нести без потерь высокие плотности (10х9-10х10 А/м2) транспортного тока в сильных магнитных полях при температурах ниже критической. Таким образом, при передаче по кабельным линиям электропередач мощностей свыше 20 млн. кВт на расстояние свыше 2000 км ожидается снижение электрических потерь на 10%, что соответствует сбережению от 7 до 10 млн. т.у.т. в год. При этом приведенные затраты на сверхпроводящую кабельную ЛЭП могут быть не больше, чем на высоковольтную ЛЭП традиционного исполнения. Применение сверхпроводимости в электрогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь удается существенно достигнуть того, чего при других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить массу и габариты машины при сохранении мощности. Массу генераторов можно уменьшить в 2-2,5 раза, в тоже время в связи с отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и приблизиться для крупных генераторов к КПД 99,3%. Повышение КПД турбогенераторов на 0,1% компенсирует затраты, связанные с созданием генераторов на 30%. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300 К, они имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов. Применение сверхпроводящих индуктивных и инерционных накопителей энергии для компенсации неравномерности энергопотребления позволит на 20-30% повысить КИУМ электростанций, сэкономив при этом значительное количество дорогого и экологически небезвредного углеводородного жидкого и твёрдого топлива. Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большие скорости. Экспериментальные поезда на магнитной подвеске в Японии и Германии достигли скоростей, близких к 300 км/ч. Экспериментальные образцы приборов с переходами Джозефсона (СКВИД детекторы) могут обнаруживать напряжения порядка 10–15 В. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10–9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности. Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже в настоящее время разработаны, изготовлены и испытаны макеты ячейки памяти, сверхчувствительный элемент считывания на ВТСП пленках с кратным снижением энерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания, сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительность систем в 10-100 раз. Электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. Обмотки из сверхпроводящих материалов могут создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они будут значительно более мощными, чем обычные машины. Сверхпроводниковые генераторы не теряют своей высокой эффективности при малой скорости вращения, что позволит исключить использование в ветроустановках дорогих и ненадёжных мультипликаторов (повышающих редукторов). Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно привлекательны для применения на флоте – как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов и обладают высокой тягой даже на низких оборотах. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает КПД силовой установки. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах и на автомобильном транспорте. Экономическая эффективность применения сверхпроводниковВнедрение ВТСП в вычислительную технику даст кратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход на ВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых суперЭВМ позволит повысить их производительность с 10х9 до 10х12 операций/ сек. Одной из самых перспективных областей применения ВТСП будет космическая техника – бортовая и «забортовая» измерительная аппаратура и вычислительные системы (возможна работа без специальных устройств охлаждения, так как «теневая» температура у спутников – 90К). При переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз, объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает КПД. силовой установки. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. Литература
|