Сверхпроводники - это материалы, электрическое сопротивление которых понижается до нуля при достижении определенной минусовой температуры (чаще всего - в несколько градусов выше абсолютного нуля). При этом материал переходит в сверхпроводящее состояние, приобретая определенные интересные свойства: например, могут «парить» в буквальном смысле, удерживаемые магнитным полем. Особенный интерес для физиков представляют сверхпроводники, способные работать при комнатных температурах. Их появление и производство произвело бы революцию в области материалов.
Можно назвать одними из самых интересных и удивительных материалов в природе. Не поддающиеся логическому обсуждению квантово-механические эффекты приводят к тому, что у сверхпроводников ниже критической температуры совершенно исчезает электрическое сопротивление. Одного этого свойства достаточно, чтобы зажечь воображение. Ток, который может течь постоянно, не теряя никакой энергии, означает передачу энергии практически без потери в кабелях. Когда возобновляемые источники энергии начнут доминировать в сети и высоковольтные передачи через континенты станут непрерывными, кабели без потерь приведут к значительной экономии.
В конце июня компания Lexus о разрабатываемом ею ховерборде Slide — летающей доске из популярного фантастического фильма «Назад в будущее 2». Журналистам удалось выяснить, что для работы летающей доске от Lexus требуются специальные условия. Для этих целей в Барселоне был построен специальный скейт-парк, под поверхностью которого находятся металлическая подложка, благодаря которой магниты, встроенные в ховерборд, могут удерживать его на весу.
Вопросы различных применений сверхпроводящих материалов стали обсуждаться практически сразу после открытия явления сверхпроводимости. Еще Камерлинг-Оннес считал, что с помощью сверхпроводников можно создавать экономичные установки для получения сильных магнитных полей. Однако реальное использование сверхпроводников началось в 50-х − начале 60-х годов XX века. В настоящее время работают сверхпроводящие магниты различных размеров и форм. Их применение вышло за рамки чисто научных исследований, и сегодня они широко используются в лабораторной практике, в ускорительной технике, томографах, установках для управляемой термоядерной реакции. С помощью сверхпроводимости стало возможным многократно повысить чувствительность многих измерительных приборов. Такие приборы названы сквидами (от англ. Superconducting Quantum Interference Devices ). Особо следует подчеркнуть внедрение сквидов в технику, в том числе и в современную медицину.
Наибольшее применение сверхпроводники нашли в настоящее время в области создания сильных магнитных полей. Современная промышленность производит из сверхпроводников второго рода разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток сверхпроводящих магнитов, с помощью которых получают значительно более сильные поля (более 20 Тл), чем при использовании железных магнитов.
Сверхпроводящие магниты являются и более экономичными. Так, например, для поддержания в медном соленоиде с внутренним диаметром 4 см и длиной 10 см поля 100 кГс необходима электрическая мощность не менее 5100 кВт, которую нужно полностью отвести водой, охлаждающей магнит. Это означает, что через магнит надо прокачивать не менее 1 м 3 воды в минуту, а затем ее еще охлаждать. В сверхпроводящем варианте такой объем магнитного поля создается достаточно просто, необходимо лишь сооружение гелиевого криостата для охлаждения обмоток, что является несложной технической задачей.
Другое преимущество сверхпроводящих магнитов состоит в том, что они могут работать в короткозамкнутом режиме, когда поле «заморожено» в объеме, что обеспечивает практически не зависящую от времени стабильность поля. Это свойство очень важно при исследованиях веществ методами ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов, в томографах и т. п.
Еще одно применение сверхпроводников − создание подшипников и опор без трения. Если над металлическим кольцом с током поместить сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности в силу эффекта Мейснера индуцируется сверхпроводящий ток, что приводит к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой, и сфера может повиснуть над кольцом.
Подобный же эффект может наблюдаться, если над сверхпроводящим кольцом поместить постоянный магнит. На этом может быть основано создание, например, новых видов транспорта. Речь идет о создании поезда на магнитной подушке, в котором будут полностью отсутствовать потери на трение о колею дороги. Модель такой сверхпроводящей дороги длиной 400 м была построена в Японии еще в 1970-х годах. Расчеты показывают, что поезд на магнитной подушке сможет развивать скорость до 500 км/ч. Такой поезд будет «зависать» над рельсами на расстоянии 2−3 см, что и даст ему возможность разогнаться до указанных скоростей.
В настоящее время широко используются сверхпроводящие объемные резонаторы, добротность которых может достигать . С одной стороны, такие устройства позволяют получать высокую частотную избирательность. С другой стороны, сверхпроводящие резонаторы широко используются в сверхпроводящих ускорителях, позволяя существенно уменьшить мощность, требуемую для создания ускоряющего электрического поля.
Применение сверхпроводимости может привести к созданию сверхбыстрых электронно-вычислительных машин. Речь идет о так называемых криотронах − переключающих сверхпроводящих элементах. Такие устройства могут легко сочетаться со сверхпроводящими запоминающими элементами. Важным преимуществом криотронов перед обычными полупроводниковыми устройствами является отсутствие потребности в энергии в стационарном состоянии. После создания переходов Джозефсона было предложено заменить ими криотроны, и оказалось, что время переключения такой системы составляет около 10 -12 с. Именно это и открывает широкие перспективы для создания мощнейших вычислительных машин, но пока эти разработки являются лишь лабораторными образцами.
Наиболее перспективными направлениями широкого использования высокотемпературных сверхпроводников считаются криоэнергетика и криоэлектроника. В криоэнергетике уже разработана методика изготовления достаточно длинных (до нескольких километров) проводов и кабелей на основе висмутовых ВТСП-материалов. Этого уже достаточно для изготовления небольших двигателей со сверхпроводящей обмоткой, сверхпроводящих трансформаторов, катушек индуктивности и т. д. На основе этих материалов созданы сверхпроводящие соленоиды, обеспечивающие при температуре жидкого азота (77 К) магнитные поля порядка 10000 Гс.
В криоэлектронике разработана методика изготовления пленочных сквидов, которые по своим характеристикам практически не уступают гелиевым аналогам. Освоена методика получения совершенных магнитных экранов из ВТСП, в частности, для исследования биомагнитных полей. Из ВТСП созданы антенны, передающие линии, резонаторы, фильтры, смесители частоты и т. д.
Темп технологических и прикладных исследований очень высок, так что, возможно, промышленность освоит выпуск изделий из высокотемпературных сверхпроводников раньше, чем будет достоверно выяснена природа сверхпроводимости в металлооксидных соединениях.
Контрольные вопросы
1. Каково равновесное состояние электронного газа в проводнике в отсутствие электрического поля?
2. Поясните механизм дрейфа электронов под действием внешнего поля.
3. Какими соотношениями определяется подвижность носителей заряда в полупроводниках? Какие факторы определяют величину подвижности?
4. Чем определяется электропроводность σ n металлов?
5. Чем обусловлено электросопротивление металлов? Какова его зависимость от температуры?
6. О чем говорит закон Видемана – Франца?
7. Почему при расчётах электропроводности проводников учитывается полная концентрация носителей заряда, если реально в проводимости участвуют только ферми-электроны?
8. Привести график и дать объяснения зависимости проводимости легированного полупроводника с разной степенью легирования от температуры.
9. Указать основные свойства сверхпроводящего состояния
10. Дать качественное описание механизма возникновения сверхпроводимости с помощью БКШ-теории.
11. Описать направления применения сверхпроводимости.
Вариант 14. Задания по ЕГЭ 2018. Русский язык. И.П. Цыбулько. 36 вариантов
Прочитайте текст и выполните задания 1 - 3
(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов - меди и алюминия. (2) мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы перспективной военной техники, поезда на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов. (3)Устройства, изготовленные с использованием сверхпроводящих материалов, характеризуются значительно меньшими размерами и массой.
1. Укажите два предложения, в которых верно передана ГЛАВНАЯ информация, содержащаяся в тексте. Запишите номера этих предложений.
1) Для создания таких устройств, которые невозможно или невыгодно изготавливать с использованием обычных проводников, применяют сверхпроводники, помогающие сделать эти устройства более компактными и лёгкими.
2) При создании мощных магнитных систем для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующих ограничителей тока, медицинских томографов, спектрометров высокого разрешения, образцов перспективной военной техники, поездов на магнитной подушке иногда используют сверхпроводящие металлы.
3) Для создания сооружений, которые нецелесообразно возводить с применением лишь традиционных проводниковых материалов - меди и алюминия, используют также сверхпроводники.
4) Сверхпроводники используют при создании устройств, изготовление которых из обычных проводников невозможно или экономически невыгодно, причём применение сверхпроводников делает устройства менее объёмными и менее тяжёлыми.
5) Для изготовления таких устройств, которые должны обладать небольшим объёмом и массой при разнообразии выполняемых ими функций, используют проводники.
2. Какое из приведённых ниже слов (сочетаний слов) должно стоять на месте пропуска во втором (2) предложении текста? Выпишите это слово (сочетание слов).
Наоборот, Несмотря на это, Например, Так как Тем не менее
3. Прочитайте фрагмент словарной статьи, в которой приводятся значения слова МАССА. Определите значение, в котором это слово употреблено в третьем (3) предложении текста. Выпишите цифру, соответствующую этому значению в приведённом фрагменте словарной статьи.
МАССА, -ы, ж.
1) Совокупность чего-нибудь, а также что-нибудь большое, сосредоточенное в одном месте. Воздушные массы. Тёмная м. здания.
2) Одна из основных физических характеристик материи, определяющая её инертные и гравитационные свойства. Единица массы.
3) Тестообразное бесформенное вещество, густая смесь. Древесная м. (полуфабрикат для выделки бумаги). Расплавленная м. чугуна.
4) Множество, большое количество кого-чего-нибудь. У меня м. времени. Тратить массу сил.
5) мн. Широкие слои трудящегося населения. Воля масс. Оторваться от масс (утратить связь с народом).
4. В одном из приведённых ниже слов допущена ошибка в постановке ударения: НЕВЕРНО выделена буква, обозначающая ударный гласный звук. Выпишите это слово.
кремЕнь окружИт дОнизу Оптовый отбылА
5. В одном из приведённых ниже слов НЕВЕРНО употреблено выделенное слово. Исправьте лексическую ошибку, подобрав к выделенному слову пароним. Запишите подобранное слово.
Требуется принятие не ПОПУЛИСТСКИХ, а экономически оправданных решений.
Её ЦАРСТВЕННЫЙ вид внушал доверие и располагал к серьёзному разговору о будущей России.
Координационному совету необходимо было ИЗБРАТЬ председателя и утвердить новый состав исполкома.
Многоэтажный КАМЕННЫЙ дом был украшен лепниной.
Наши страны в течение долгих лет поддерживали ДРУЖНЫЕ отношения.
6. В одном из выделенных ниже слов допущена ошибка в образовании формы слова. Исправьте ошибку и запишите слово правильно.
в ТЫСЯЧА девятисотом году
ПРОПОЛОЩИ бельё
прошли наиболее УСПЕШНО
зимние МЕСЯЦА
СЕМЬЮСТАМИ солдатами
7. Установите соответствие между грамматическими ошибками и предложениями, в которых они допущены: к каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца.
| ГРАММАТИЧЕСКИЕ ОШИБКИ A) нарушение в построении предложения с причастным оборотом Б) нарушение видо-временной соотнесённости глагольных форм B) нарушение в построении предложения с деепричастным оборотом Г) нарушение связи между подлежащим и сказуемым Д) неправильное употребление имени числительного | ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1) Оказавшись под сильным влиянием лёгкого водевильного творчества, М. С. Щепкину вначале роль Фамусова давалась с трудом, но впоследствии стала лучшей в его обширном репертуаре. 2) Фруктоза - это природный аналог сахара, получаемая из ягод и фруктов. 3) Сразу по приезде в Казань мы посетили главную достопримечательность - Кремль. 4) Солдаты, выполнявшие долг перед Родиной, провели в степи без еды и воды четыре суток. 5) Стремясь передать в уличной сцене верное освещение, художник работал над созданием картины не при комнатном, а при солнечном свете и утверждает новую реалистическую манеру городского пейзажа. 6) Этот камерный зал, использующийся сейчас в учебных целях, до ноября 2007 года назывался Белым залом. 7) Все, кто побывал в Долине гейзеров, понимает, почему её считают одним из чудес света. 8) Художественная речь, которая отличается от официально-деловой и научной, по ряду признаков сближается с публицистической. 9) По признанию публики, премьера удалась, и те, кто смог побывать на спектакле, чувствовали себя свидетелями значительного события в мире культуры. |
8. Определите слово, в котором пропущена безударная чередующаяся гласная корня. Выпишите это слово, вставив пропущенную букву.
ди..пазон напом..нание аргум..нтировать увл..кательный с..мметрия
9. Определите ряд, в котором в обоих словах в приставке пропущена одна и та же буква. Выпишите эти слова, вставив пропущенную букву.
пр..мудрый, пр..уныл
не..добровать, ..жать (в кулак)
бе..печный, и..гнать
пр..думать, пр..града
о..дыхать, по..кладка
10. Выпишите слово, в котором на месте пропуска пишется буква Е.
солом..нка
обид..лись
усидч..вый
настра..вать
привередл..вый
11. Выпишите слово, в котором на месте пропуска пишется буква А.
скач..щий
движ..щаяся
маш..щий (рукой)
(врачи) перевяж..т
12. Определите предложение, в котором НЕ со словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.
Мы с приятелем встречались (НЕ)РЕДКО, а почти каждый день.
Избавляйтесь от привычки бросать дело, (НЕ)ДОВОДЯ его до конца.
Мы дошли до финала, но наша цель (НЕ)ДОСТИГНУТА.
(НЕ)ЗАВЕРШЁННАЯ игра перенесена на завтра и обязательно будет продолжена.
Река была далеко (НЕ)ШИРОКОЙ, всего около десяти метров.
13. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.
ЧТО(БЫ) поправить здоровье, можно смело отправляться на Алтай, (ПО)ЭТОМУ скорее покупайте путёвку.
Одно и ТО(ЖЕ) слово может обозначать совершенно разные предметы, ПОТОМУ(ЧТО) существует явление омонимии.
СКОЛЬКО(БЫ) ни рассуждали критики, многие произведения искусства (НА)ВСЕГДА останутся загадкой для человечества.
Вам необходимо (ПО)ПРЕЖНЕМУ предоставлять отчёт (В)ВИДЕ презентации.
Можно (ПО)РАЗНОМУ объяснять смысл сна Раскольникова, но (ПО)НАЧАЛУ может показаться, что перед нами добрый и милосердный человек.
14. Укажите цифру(-ы), на месте которой(-ых) пишется НН.
Романтичность свойстве(1)а всему. Романтическая настрое(2)ость не позволяет человеку быть лживым, невежестве(3)ым, трусливым и жестоким. В романтике заключе(4)а облагораживающая сила.
15. Расставьте знаки препинания. Укажите два предложения, в которых нужно поставить ОДНУ запятую. Запишите номера этих предложений.
1) На вольном просторе блеск и движение грохот и гром.
2) Без матери не было бы ни тепла ни радости ни жизни.
3) Миновали столетия и под натиском варваров пала когда-то могучая и непобедимая Римская империя.
4) Человек велик и прекрасен и полон мечты.
5) Художники и скульпторы объединились и создали свою ассоциацию.
16. Расставьте все знаки препинания: укажите цифру(-ы), на месте которой(-ых) должна(-ы) стоять запятая(-ые).
Побывав во многих странах мира (1) Юрий Гагарин посетил (2) пострадавшую от атомной бомбы (3) Японию (4) радушно встретившую прославленного космонавта.
Мы входим в зал.
Сияющие люстры (1)
От напряженья (2)
Кажется (3) дрожат!
Звенит хрусталь
И действует на чувства,
Мы входим в зал
Без всякого искусства,
А здесь искусством (4)
Видно (5) дорожат.
(Н. М. Рубцов)
18. Расставьте все знаки препинания: укажите цифру(-ы), на месте которой(-ых) должна(-ы) стоять запятая(-ые).
Кирибеевичу (1) поступками которого (2) руководит эгоистическое чувство (3) противопоставлен Калашников (4) который живёт согласно принципам честности и порядочности.
19. Расставьте все знаки препинания: укажите все цифры, на месте которых должны стоять запятые.
Здесь всё было по-старому (1) и (2) если кому-то вдруг становилось грустно (3) то это лишь потому (4) что с этим местом у всех было связано много воспоминаний.
20. Отредактируйте предложение: исправьте лексическую ошибку, заменив неверно употреблённое слово. Запишите подобранное слово, соблюдая нормы современного русского литературного языка.
Число девятиклассников, желающих поехать на осенних каникулах в Михайловское, прогрессирует с каждым днём.
Прочитайте текс и выполните задания 21 - 26
(1)Встреча произошла неожиданно. (2)Два немца, мирно разговаривая, вышли на Плужникова из-за уцелевшей стены. (З)Карабины висели за плечами, но даже если бы они держали их в руках, Плужников и тогда успел бы выстрелить первым. (4)Он уже выработал в себе молниеносную реакцию, и только она до сих пор спасала его.
(5)А второго немца спасла случайность, которая могла стоить Плужникову жизни. (6)Его автомат выпустил короткую очередь, первый немец рухнул на кирпичи, а патрон перекосило при подаче. (7)Пока Плужников судорожно дёргал затвор, второй немец мог бы давно прикончить его или убежать, но вместо этого он упал на колени. (8)И покорно ждал, пока Плужников вышибет застрявший патрон.
- (9)Комм, - сказал Плужников, указав автоматом, куда следовало идти.
(10)Они перебежали через двор, пробрались в подземелья, и немец первым влез
в тускло освещённый каземат. (11)И здесь вдруг остановился, увидев девушку у длинного дощатого стола.
- (14)Ничего не понимаю, - растерянно сказал Плужников. - (15)Тарахтит.
- (16)Рабочий он, - сообразила Мирра, - видишь, руки показывает?
- (17)Дела, - озадаченно протянул Плужников. - (18)Может, он наших пленных охраняет?
(19)Мирра перевела вопрос. (20)Немец слушал, часто кивая, и разразился длинной тирадой, как только она замолчала.
- (21)Пленных охраняют другие, - не очень уверенно переводила девушка. - (22)Им приказано охранять входы и выходы из крепости. (23)Они - караульная команда. (24)Он - настоящий немец, а крепость штурмовали австрияки из сорок пятой дивизии, земляки самого фюрера. (25)А он - рабочий, мобилизован в апреле...
(26)Немец опять что-то затараторил, замахал руками. (27)Потом вдруг торжественно погрозил пальцем Мирре и неторопливо, важно достал из кармана чёрный пакет, склеенный из автомобильной резины. (28)Вытащил из пакета четыре фотографии и положил на стол.
- (29)Дети, - вздохнула Мирра. - (30)Детишек своих кажет.
(31)Плужников поднялся, взял автомат:
(32)Немец, пошатываясь, постоял у стола и медленно пошёл к лазу.
(33)Они оба знали, что им предстоит. (34)Немец брёл, тяжело волоча ноги, трясущимися руками все обирая и обирая полы мятого мундира. (35)Спина его вдруг начала потеть, по мундиру поползло тёмное пятно.
(36)А Плужникову предстояло убить его. (37)Вывести наверх и в упор шарахнуть из автомата в эту вдруг вспотевшую сутулую спину. (38)Спину, которая прикрывала троих детей. (39)Конечно же, этот немец не хотел воевать, конечно же, не своей охотой забрёл он в эти страшные развалины, пропахшие дымом, копотью и человеческой гнилью. (40)Конечно, нет. (41)Плужников всё это понимал и, понимая, беспощадно гнал вперёд.
- (42)Шнель! (43)Шнель!
(44)Немец сделал шаг, ноги его подломились, и он упал на колени. (45)Плужников ткнул его дулом автомата, немец мягко перевалился на бок и, скорчившись, замер...
(46)Мирра стояла в подземелье, смотрела на уже невидимую в темноте дыру и с ужасом ждала выстрела. (47)А выстрелов всё не было и не было...
(48)В дыре зашуршало, и сверху спрыгнул Плужников и сразу почувствовал, что она стоит рядом.
- (49)3наешь, оказывается, я не могу выстрелить в человека.
(50)Прохладные руки нащупали его голову, притянули к себе. (51)Щекой он ощутил её щеку: она была мокрой от слёз.
- (52)Я боялась. (53)Боялась, что ты застрелишь этого старика. - (54)Она вдруг крепко обняла его, несколько раз торопливо поцеловала. - (55)Спасибо тебе, спасибо, спасибо. (56)Ты ведь для меня это сделал?
(57)Он хотел сказать, что действительно сделал это для неё, но не сказал, потому что он не застрелил этого немца всё-таки для себя. (58)Для своей совести, которая хотела остаться чистой. (59)Несмотря ни на что.
(По Б. Л. Васильеву)
21. Какие из высказываний не соответствуют содержанию текста? Укажите номера ответов.
1) При неожиданной встрече с немцами Плужникова от смерти спас застрявший у второго немца в затворе карабина патрон.
2) Немец, которого Плужников привёл в каземат, оказался мобилизованным на службу в апреле рабочим и отцом троих детей.
3) Хорошо понимавшая немецкую речь Мирра сообщила Плужникову, что пленённый им австриец служит в сорок пятой дивизии, штурмовавшей Брестскую крепость.
4) Немец носил в кармане фотографии своих детей.
5) Мирра тревожилась за Плужникова, который, застрелив пленного немца, подвергнет себя опасности.
22. Какие из перечисленных утверждений являются ошибочными? Укажите номера ответов.
1) В предложениях 6-8 представлено описание.
2) Предложения 22 и 23 противопоставлены по содержанию.
3) В предложениях 26-28 представлено повествование.
4) Предложения 34-35 содержат элементы описания.
5) Предложения 57-58 содержат рассуждение.
23. Из предложений 21-23 выпишите антонимы (антонимическую пару).
24. Среди предложений 36-41 найдите такое(-ие), которое(-ые) связано(-ы) с предыдущим при помощи лексического повтора. Напишите номер(-а) этого(-их) предложения(-ий).
25. «В отрывке из книги Б. Л. Васильева "В списках не значился" рассказывается о защитниках Брестской крепости, совсем ещё молодых, самых обычных людях. Создавая их образы, автор использует лексическое средство - (А)___ (предложение 15, "кажет" в предложении 30) и такую форму речи, как (Б)___ (предложения 14-18). Чувства немца, которого должен был убить Плужников, передают различные средства выразительности, в частности троп - (В)___("плачущим" в предложении 12); чувства Плужникова, так и не выстрелившего в немца, передаёт приём - (Г)___ (предложения 58-59)».
Список терминов:
1) градация
2) сравнительный оборот
5) восклицательные предложения
6) парцелляция
7) антонимы
8) разговорные и просторечные слова
9) книжная лексика
26. Напишите сочинение.
| Вариант 14 |
|||
| Номер задания | Ответ | Номер задания | Ответ |
| чтобыпоэтому |
|||
| например | 123 или любая комбинация этих цифр |
||
| дружественные | 2345 или любая комбинация этих цифр |
||
| 134 или любая комбинация этих цифр |
|||
| напоминание | растёт или увеличивается |
||
| несдоброватьсжать | 135 или любая комбинация этих цифр |
||
| обиделись | |||
| входывыходы |
|||
| незавершённая | 3840 или 4038 |
||
Проблема
Проблема проявления человечности на войне, проявления сострадания, милосердия к пленному врагу. (Кто способен проявить сострадание, милосердие к пленному врагу?)
Сверхпроводниковые устройства, хотя широко и не используются, обладают некоторыми уникальными характеристиками, не доступными для обычных полупроводниковых устройств. Высокая чувствительность относительно усиления электрических сигналов, детектирование магнитных полей, детектирование света являются очень ценными свойствами. Также возможна высокая скорость переключения, хотя в настоящее время и не применяется в компьютерах. Обычные сверхпроводящие устройства должны быть охлаждены до температуры в пределах нескольких градусов от 0 кельвинов (-273°C). Хотя в настоящее время ведется работа над устройствами на базе высокотемпературных сверхпроводников, пригодных для использования при 90 К и ниже. Это имеет большое значение, так как для охлаждения может быть использован недорогой жидкий азот.
Сверхпроводимость: В 1911 году Хайке Оннес открыл сверхпроводимость ртути (Hg), за что он получил Нобелевскую премию. Электрическое сопротивление большинства металлов уменьшается при понижении температуры. Тем не менее, у большинства из них сопротивление не уменьшится до нуля при приближении температуры к 0К. Ртуть уникальна тем, что ее сопротивления резко падает до нуля ом при 4,2 кельвинах. Сверхпроводники резко полностью теряют сопротивление при охлаждении ниже их критической температуры, T C . Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие потерь энергии в проводниках. Ток может протекать в петле из сверхпроводникового провода в течение тысяч лет. Сверхпроводники включают в себя свинец (Pb), алюминий (Al), олово (Sn) и ниобий (Nb).
Куперовская пара: Сверхпроводимость без потерь обусловлена не только обычным потоком электронов. Поток электронов в обычных проводниках встречает сопротивление в виде столкновений с жесткой ионной кристаллической решеткой металла. Уменьшение колебаний кристаллической решетки с уменьшением температуры вызывает уменьшение сопротивления (до определенного момента). При абсолютном нуле прекращаются колебания решетки, но не энергия рассеивания от столкновений электронов с кристаллической решеткой. Таким образом, обычные проводники не теряют полностью электрическое сопротивление при температуре, равной абсолютному нулю.
Электроны в сверхпроводниках формируют пары электронов, называемые куперовскими парами, когда температура падает ниже критической точки, в которой возникает сверхпроводимость. Куперовская пара существует потому, что она находится на более низком энергетическом уровне по сравнению с неспареннымы электронами. Электроны притягиваются друг к другу за счет обмена фононами, квазичастицами, представляющими собой кванты колебательных движений атомов. Эта куперовская пара, квантово-механическая сущность (частицы или волны) не подчиняется обычным законам физики. Эта сущность распространяется через кристаллическую решетку, не сталкиваясь с ионами металла, находящимися в узлах решетки. Таким образом, она не рассеивает никакой энергии. Квантово-механический характер куперовской пары просто позволяет дискретными, а не непрерывными количествами энергии. Для куперовской пары применимо понятие абсолютного минимального количества энергии. Если колебательная энергия кристаллической решетки меньше (из-за низкой температуры), куперовская пара не сможет принять ее и не сможет быть отбита решеткой. Таким образом, при температуре ниже критической поток куперовских пар может беспрепятственно протекать через кристаллическую решетку.
Джозефсоновский переход: Брайн Джозефсон получил Нобелевскую премию за свое предсказание в 1962 году появления джозефсоновского перехода. Переход Джозефсона - это пара сверхпроводников, соединенных тонким мостом из диэлектрика (как показано на рисунке (a) ниже), через который электроны могут создавать туннель. Первые переходы Джозефсона представляли собой свинцовые сверхпроводники с мостиком из диэлектрика. Наши дни предпочтительным является тройной слой алюминия и ниобия. Электроны могут создавать туннель через диэлектрик даже при нулевом напряжении, приложенном к сверхпроводникам.
Если к переходу прикладывается напряжение, величина тока уменьшается и возникают электрические колебания на частоте, пропорциональной напряжению. Связь между приложенным напряжением и частотой настолько точна, что в настоящее время эталонный вольт определяется отностительно частоты колебаний в переходе Джозефсона. Джозефсоновский переход также может служить в качестве суперчувствительного детектора магнитных полей с очень низкими уровнями. Он очень чувствителен к электромагнитному излучению от СВЧ до гамма-лучей.
Транзистор Джозефсона: электрод, расположенный близко к оксиду в переходе Джозефсона, может влиять на переход за счет емкостной связи. Такая сборка, показанная на рисунке (b) выше, называется транзистором Джозефсона. Главной особенностью транзистора Джозефсона является низкая мощность рассеивания, что применимо в схемах с высокой плотностью, например, в компьютерах. Этот транзистор, как правило, является частью более сложных сверхпроводниковых приборов, таких как SQUID (Superconducting Quantum Interference Device, «сверхпроводящий квантовый интерферометр») или RSFQ (Rapid Single Flux Quantum, «быстрая одноквантовая логика»).
SQUID: СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор, Superconducting Quantum Interference Device) представляет собой совокупность переходов Джозефсона в сверхпроводящем кольце. В данной статье рассматривается только СКВИД на постоянном токе. Этот прибор обладает высокой чувствительностью к воздействию слабых магнитных полей.
К кольцу с параллельно включенными джозефсоновскими переходами прикладывается смещение постоянным током, как показано на рисунке ниже. При отсутствии приложенного магнитного поля ток делится между двумя переходами поровну, а на кольце не вырабатывается напряжение.
В то время как к СКВИДу может быть приложено любое значение магнитного потока (Φ), через отверстие в сверхпроводниковом кольце может протекать только квантованное значение (кратное кванту потока). Если приложенный поток не кратен кванту потока, избыточный поток будет погашен циркулирующим по кольцу током, который создаст дробную часть кванта потока. Циркулирующий ток будет протекать в том направлении, в котором погашает любой избыток потока сверх кратного значения квантов потока. Он может либо добавить, либо вычесть значение из приложенного потока, до ±(1/2) кванта потока. Если циркулирующий ток протекает по часовой стрелке, ток повышается в верхнем джозефсоновском переходе и уменьшается в нижнем.
Линейное изменение приложенного потока заставляет изменяться циркулирующий ток в виде синусоиды.
Это может быть измерено путем измерения напряжения на СКВИДе. По мере увеличения приложенного магнитного поля, могут быть подсчитаны импульсы напряжения, каждый из которых соответствует увеличению потока на один квант.
Сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор (SQUID, СКВИД): пара переходов Джозефсона в сверхпроводящем кольце. Изменение потока создает изменение напряжения на паре переходов Джозефсона. Чувствительность СКВИДа составляет 10 -14 тесла. Он может обнаружить магнитное поле от электрических токов между нейронами в головном мозге (индукция данных магнитных полей составляет 10 -13 Тл). Для сравнения индукция магнитного поля Земли составляет 30 x 10 -6 Тл.
Быстрая одноквантовая логика (БОКЛ или RSFQ, Rapid Single Flux Quantum): Вместо того, чтобы подражать кремниевым полупроводниковым схемам, RSFQ схемы опираются на новые концепции: квантование магнитного потока в сверхпроводнике и то, что движение кванта потока создает пикосекундный квантованный импульс напряжения. Магнитный поток может существовать в сверхпроводнике только в виде дискретных квантованных значений. Для представления бита информации используется квант магнитного потока. Для переключения импульсов, вместо обычных транзисторов, используются джозефсоновские переходы. Сверхпроводник основан на тройном слое алюминия и ниобия с критической температурой 9,5 К и охлажден до 5 К.
RSFQ логика работает на частотах более 100 ГГц с небольшим количеством рассеиваемой мощности. Производство упрощается при использовании существующих технологий фотолитографии. Тем не менее, для ее работы требуется охлаждение до температуры 5 кельвинов. Реальное коммерческое применение включает в себя аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, T-триггеры, регистры сдвига, память, сумматоры и мультипликаторы.
Высокотемпературные сверхпроводники: Высокотемпературными сверхпроводниками являются соединения, проявляющие свойства сверхпроводимости при температурах выше температуры кипения жидкого азота, которая составляет 77 К. Это имеет большое значение, так как жидкий азот легко доступен и недорог. Большинство обычных сверхпроводников являются металлами, широко используемыми высокотемпературными сверхпроводниками являются купратами, смешанными оксидами меди (Cu), например, оксид иттрия-бария-меди, YBa 2 Cu 3 O 7-x , с критической температурой T C = 90 К. Большинство приборов, описанных в данной статье, для менее критических применений разрабатываются в версиях на базе высокотемпературных сверхпроводников. Хотя они и не обладают производительностью обычных металлических сверхпроводников, но охлаждение жидким азотом более доступно.
Подведем итоги:
- Большинство металлов уменьшает сопротивление по мере приближения температуры к абсолютному нулю; хотя, сопротивление и не падает до нуля. Сопротивление сверхпроводников быстро падает до нуля при их охлаждении до критической температуры. Как правило, критическая температура, T C , находится в пределах 10 кельвинов от абсолютного нуля.
- Куперовская пара, пара электронов, квантово-механическая сущность, перемещается через кристаллическую решетку беспрепятственно.
- Электроны могут создавать туннель через джозеновский переход, изолирующий зазор между парой сверхпроводников.
- Добавление третьего электрода, или затвора, недалеко от джозефсоновского перехода образует транзистор Джозефсона.
- SQUID (СКВИД, сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор) является высокочувствительным детектором магнитных полей. Он подсчитывает квантовые единицы магнитного поля внутри сверхпроводящего кольца.
- RSFQ (быстрая одноквантовая логика) представляет собой устройство высокоскоростной коммутации на основе коммутации магнитных квантов, существующих в сверхпроводящем контуре.
- Высокотемпературные сверхпроводники, с критической температурой T C выше температуры кипения жидкого азота, могут также использоваться для создания сверхпроводящих приборов, описанных в данной статье.
План реферата
1.Свойство сверхпроводимого состояния……………………………3
2.Сверхпроводник в магнитном поле………………………………...4
3.Изотермические свойства…………………………………………...5
4.Изотопический эффект………………………………………………6
5.Квантовая основа…………………………………………………….7
6.Условия сверхпроводимости………………………………………..9
а.Сверхпроводники I и II рода……………………………………...9
б.Разрушение током………………………………………………..10
в.Новые вещества…………………………………………………..10
7.Некоторые применения сверхпроводимости……………………..10
Литература…………………………………………………………...15
В 1911 г. Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости,изучение которого интенсивно продолжается до наших дней и составляет одно из важнейших направлений физики твердого тела.Оказалось, что при температуре,близкой к 4 0 К,электрическое сопротивление ртути скачком обращается в нуль.
Многие металлы и металлические сплавы при температурах,близких к абсолютному нулю, переходят в особое сверхпроводящее состояние,наиболее поразительным свойством которого является с в е р х п р о в о д и м о с т ь- полное отсутствие сопротивления постоянному электрическому току.Наведенный в сверхпроводящем кольце ток сохраняется неизменным практически бесконечно долго – в течение нескольких лет не удается обнаружить сколько-нибудь заметного затухания этого тока.Этот эксперимент провел в1959 г. американский ученый физик Коллинз.
Эффект сверхпроводимости состоит в исчезновении электрического сопротивления при конечной, отличной от О 0 К, температуре (критическая температура- Т к).
Открытие Камерлинга-Оннеса повлекло исследования разных веществ –сверхпроводников и их свойств. Были отмечены резкая аномалия магнитных, тепловых и ряда других свойств, так что правильнее говорить не только о сверпроводимости, а об особом, наблюдаемом при низких температурах состоянии вещества.
Сейчас выявлена целая группа веществ –сверхпровод – ников (В 1975 их было >500).Самой высокой критической температурой среди чистых веществ обладает ниобий (Т к =9,22 0 К), а наиболее низкой – иридий (Т к = 0,140 0 К).
Сложное соединение,синтизированное в 1967 г.,сохраняет сверхпроводимость до 20,1 0 К, в 1973 г. рекорд равнялся 22,3 0 К.
Критическая температура зависит не только от химического состава вещества, но и от структуры самого кристала.Например,серое олово является полупроводником, а белое олово- металлом, способным к тому же при температуре,равной 3,72 0 К,переходить в сверхпроводящее состояние.
Бериллий–сверхпроводник в виде тонкой пленки. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками при высоком давлении (Ва с Т к=5 0 К под давлением ~ 150 кбар).
Из всего следует вывод,что сверхпроводимость представляет собой коллективный эффект,связанный со структурой всего образца.
Переход металла в сверхпроводящее состояние и обратно происходит при тех значениях температуры и напряженности магнитного поля, которые соответствуют точкам на кривой зависимости Н к от температуры (рис 1.)
Учитывая обратимость перехода и различие свойств металла в сверхпроводящем и нормальном состояниях, этот переход можно рассматривать как фазовый переход между двумя различными состояниями одного и того же вещества: n-фазой(нормальное состояние) и s-фазой (сверхпроводящее состояние).
Сверхпроводник в магнитном поле.
1. В 1933 г. Мейсснером было открыто одно из свойств сверхпроводников(эффект Мейсснера).Оказалось,что магнитное поле не проникает в толщу сверхпроводящего образца.Если этот образец при температурах более высоких,чем Тк, то в нем, как и во всяком нормальном металле,помещенном во внешнем поле.напряженность будет отличной от нуля. Не выключая внешнего магнитного поля, начнем постепенно понижать температуру.Тогда окажется,что в момент перехода в сверхпроводящее
состояние магнитное поле вытолкнется из образца и станет справедливым равенство В = 0 (В- магнитная индукция,равная, по определению,средней напряженности магнитного поля в веществе).При включении внешнего поля Н в веществе появляется отличная от нуля индукция В, равная В= μН. Коэффициент и называется магнитной проницаемостью вещества.При μ<1 наблюдается ослабление приложенного поля и В< Н.В сверхпроводниках В=0,что соответствует нулевой магнитной проницаемости.Это эффект идеального диамагнетизма. Если сверхпроводящий образец поместить во внешнее поле,то в поверхностном слое металла возникает стационарный
электрический ток,собственное магнитное поле которого противоположно приложенному полю.что в результате и приводит к нулевому значению индукции в толще образца.
Идеальный диамагнетизм сверхпроводников означает возможность протекания поверхностного стационарного тока,не испытывающего электрического сопротивления.
Наличие сопротивления привело бы к тепловым потерям и в отсутствие электрического поля-к быстрому затуханию тока.Эффект Мейснера и явление сверхпроводимости, т.е.полное отсутствие сопротивления,тесно связаны между собой и явлются следствием общей закономерности, которую и установила теория сверхпроводимости.
2. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. При действии на сверхпроводник магнитного поля температура Тс снижается.Магнитное поле с напряженностью Нс,которое при данной температуре вызывает переход в-ва из сверхпроводящего состояния в нормальное,называется критическим полем.
Т.о.,металл можно перевести из сверхпроводящего состояния,воздействуя на сверхпроводник магнитным полем.Тем не менее,был обнаружен класс веществ,
сохраняющих свойство сверхпроводимости в мощных магнитных полях
и при сильных токах.
Изотермические свойства.
Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств.
Электронная теплоемкость нормальных металлов с понижением температуры убывает по линейному закону с e ~Т. В сверхпроводниках – по экспоненциальному закону.
где а и b – постоянные,не зависящие от температуры величины.
Скачек теплоемкости
Изотермический переход из сверхпроводящего состояния в нормальное связан со скачкообразным изменением теплопроводности и теплоемкости.
Это универсальное свойство сверхпроводников.Различают теплопроводность,
связанную с движением электронов, и тепловой поток в решетке кристалла.
Коэффициент теплопроводности х можно представить в виде суммы
х=х эл +х реш.Электроны рассеиваются различными причинами(колебания решетки,примеси,другие электроны).Результирующая электронная теплопроводность Х эл вычисляется по правилу
Изотопический эффект.
В 1950 г. Максвелл,Рейндолс при исследовании ртути открыли,что сверхпроводимость возникает при взаимодействии электронов с решеткой кристалла.Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно-без “трения” об узлы кристаллической решетки.
В сверхпроводниках возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар.
Электрон проводимости е притягивает к себе ион I кристаллической решетки,смещая его из положения равновесия.При этом изменяется электрическое поле в кристалле- ион I создает электрическое поле,
действующее на электроны проводимости,в том числе и на электрон e 1
Взаимодействие е 1 и е 2 осуществляется с помощью кристаллической решетки.
Смещение иона под действием электрона приводит к тому,что электрон оказывается окруженным “облаком” положительного заряда, превышающего собственный отрицательный заряд электрона.Электрон вместе с этим “облаком”имеет суммарный положительный заряд и притягивается к другому электрону.
Интересно,что именно взаимодействие электронов с решеткой кристалла ответственно за появление сопротивления. При определенных условиях оно приводит к его отсутствию,т.е эффекту сверхпроводимости.Так было
расскрыто объяснение сверхпроводимости.
В 1957 г. Бардином,Купером,Шриффером была построена теория сверхпроводящего состояния.
Квантовая основа.
1.В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами)связывается с возникновением элементарных возбуждений решетки.
Электрон,движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решетки,переводит ее в возбужденное состояние.При переходе решетки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты- фонон,который поглащается другим электроном.Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами,причем притяжение наиболее эффективно,если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.
2.Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов.Проявление сил притяжения можно представить.В результате деформации решетки электрон оказываеся окруженным “облаком “положительного заряда, притягивающегося к электрону. Тогда такой электрон вместе с окружающим его облаком представляет собой положительно заряженную систему,
которая будет притягиваться к другому электрону.
При высоких температурах достаточно сильное интенсивное тепловое движение отбрасывает частицы друг от друга,размывает ионную “шубу“, что фактически уменьшает силы притяжения.При низких же температурах силы притяжения играют очень важную роль.
Возникновение межэлектронного притяжения не противоречит законам физики.Два электрона, несомненно, отталкиваются друг от друга,если находятся в пустоте.
В среде же сила их взаимодействия равна
(ε-δиэлектрическая проницаемость среды).Если среда такова,что ε <0, то одноименные заряды (в данном случае электроны) будут притягиваться.
Кристаллическая решетка и является той средой, которая делает отрицательной диэлектрическую проницаемость в сверхпроводнике.
3.Расстояние между электронами пары равно:
где h-постоянная Планка,u F -скорость электрона на уровне Ферми,
k – постоянная Больцмана, Т c –температура перехода в сверхпроводящее состояние.Оценка показывает,что δ=10 см,т.е.электроны,образующие пару,
находятся на расстоянии порядка 10 4 периодов кристаллической
решетки.Вся электронная система сверхпроводника представляет собой связанный коллектив,простирающийся на громадные, по атомным масштабам,
расстояния.
Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением,образующим пары,то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным.Если же при температуре Т происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания,то вещество переходит в cверхпроводящее состояние
4.Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями,меньшими,чем энергия связи пары электронов.
Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решетки не изменяется энергия электронов и вещество ведет себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением.
Квантомеханическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решетки или примесях.А это и означает отсутствие электрического сопротивления.
Условия сверхпроводимости.
1.Сверхпроводники I и II рода.
Когда магнитный поток проходит через проводник без потерь и когда энергия связана с поверхностями раздела между участками n-фазы и s-фазы (граница между двумя фазами всегда обладает поверхностной энергией.)
На рис. 5 а-сверхпроводник с идеальным диамагнетизмом;б-сверхпроводник в смешанном состоянии.Заштрихованные области соответствуют сверхпроводящему состоянию (s-фазе), незаштрихованные- нормальному (n-фазе).При толщине слоев s- фазы,меньшей глубины проникновения, магнитный поток пронизывает и сверхпроводящие слои(Н- напряженность внешнего магнитного поля).
Искажения плотности сверхпроводящих электронов не могут проявлятся на расстояниях,меньших длины когерентности ξ~ΔS.
В поверхностную энергию дают вклад эффекты,зависящие как от глубины проникновения λ,ςак и от длины когерентности ξ.Как было показано,вклад в поверхностную энергию отрицателен(т.к. при этом объем чистой s-фазы
уменьшается на величину порядка λS, где S-площадь поверхности s-фазы) и, следовательно, добавка к внутренней энергии сверхпроводника уменьшается на величину порядка λSH 2 /8π.Εсли выполняется условия ξ>λ(αолееточный расчет дает условие ξ>λ 1/2),тообразование слоистой структуры энеогетически невыгодно и сверхпроводник существует в виде сплошной s-фазы.
Такие сверхпроводники называются сверхпроводимостью I рода.К ним принадлежат почти все чистые сверхпроводники.Если же выполняется условие ξ<λ 1/2 ,то энергетически выгодно образование слоистой структуры и сверхпроводники находятся в смешанном состоянии.Такие сверхпроводники называются свехпроводимостью II рода.К ним относятся многие сверхпроводящие сплавы и сверхпроводники, загрязненные примесями.
2.Сверхпроводимость может разрушаться током..
Если сверхпроводник II рода поместить в сильное внешнее магнитное поле, то критический ток в нем окажется равным 0,т.е. протекание сквозь угодно малого тока будет сопровождаться тепловыми потерями.Возникает система вихревых нитей и при пропуске тока происходит их взаимодействие.Опытным путем доказано,что жесткие сверхпроводники выдерживают сильные магнитные поля,а благодаря неоднородностям структуры через них можно пропускать большие токи.
3.Созданы новые сверхпроводящие вещества, дающие возможность получать поля около 200 кгс. Перспектива открытий в этой области неограничена.
Применение сверхпроводимости.
Продолжается поиск материалов,позволяющих получать все более мощные магнитные поля. Соленоиды создают не просто сильные магнитные поля.Возможно получение однородных полей в достаточно большой области пространства,что весьма важно при проведении научных исследований,
посвященных изучению свойств вещества в магнитном поле.
Наиболее заманчиво применение сверхпроводников в обмотках соленоидов для получения сверхсильных магнитных полей- порядка 100 000э и выше. Сильные магнитные поля необходимы,например, при управлении плазменными пучками в установках для исследования и возможного получения управляемых термоядерных реакций и в современных ускорителях заряженных частиц высоких энергий.
В этом случае энергию надо затрачивать только на охлаждение обмоток до температур ниже критической.
Каждый элемент провода с током в такой обмотке находится в очень сильном магнитном поле соседних витков,поэтому целесообразно применять сверхпроводники II рода,выдерживающие большие магнитные поля. Для этих целей выявлены сверхпроводимость III рода(ниобий-цирконий или ниобий-олово).
Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличие от обычного электромагнита сверхпров. не нуждается во внешнем источнике питания,поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления.
Другим примером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий элемент в электрических цепях.На проводник,по которому течет электрический ток, наматывается несколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высоким значением критического поля Н к.1Меняяток в витках,можно создать критическое поле в управляемом сверхпроводнике, что приведет к его “запиранию” вследствие потери им С.
Много исследований посвящается вопросу об использовании сверхпров. при создании вычислительных машин.Сверхпроводящий ток является незатухающим.Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего устройства,хранящего большие и легко считываемые запасы информации.
Скорость “ вспоминания” сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга.Они в состоянии всего лишь за 10 -6 сек выбрать нужную информацию из 10 11 ее единиц.
В вычислительной технике используется двоичная система.Двойственность сверхпроводников(они могут находиться или в нормальном,или в сверхпроводящем состоянии),быстрота их перехода под действием темпера-
туры или магнитного поля из одного состояния в другое позволяют использовать их в качестве элементов вычислительных машин. И в качестве переключающих устройств,работающих с очень высокой скоростью при малых затратах мощности, сверхпроводники идеальны.
Одно из таких устройств –так называемый проволочный криотрон.
Слово ”криотрон” греческого происхождения (cryo- холод).Изобретен этот прибор американским ученым Баком.Прибор состоит из проволоки,
сделанной,например,из свинца или тантала, по которой протекает сверхпроводящий ток.Эта проволока называется клапаном.На нее намотана более тонкая –из ниобия.Катушка,образованная этим тонким проводом,
называется управляющей.При протекании по ней достаточно большого тока сверхпроводимость в клапане разрушается.
Ниобий был выбран в качестве материала,из которого изготовляется управляющий провод,по той простой причине,что сверхпров. сохраняетсся в нем при достаточно сильных магнитных полях.Критические поля свинца или тантала,образующих клапан,являются весьма малыми,и сверхпров.в них поэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушке достаточно слабого тока.
Сопротивление в клапане меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечного значенитя.Уменьшением тока в управляемом проводе снова восстанавливается сверхпроводящие состояния свинца или тантала.
Скорость переключения в клиотронах достигает двух наносекунд
(2*10 -9 сек).Высокая скорость в сочетании с простотой устройства и лежит в основе использования сверхпроводящих криотронов в вычислительной технике.ЭВМ,использующая сверхпроводящие устройства,выделяется
своей необычной компактностью.
Вполне возможным является создание миниатюрного сверхпроводящего триода.Его можно представить себе состоящим всего из трех наклеенных друг на друга металлических пленок, причем роль сетки обычной радиолампы играет средняя полоска, в которой регулируется ток и создаваемое им магнитное поле.
Сверхпроводник,в толщу которого не проникает магнитное поле, всегда окружен магнитной “ подушкой”.
Эффект механического отталкивания используется для создания опор без трения.Сверхпроводящая сфера благодаря диамагнитному эффекту висит над кольцом,в котором циркулирует незатухающий ток.Сила тяжести
при этом уравновешивается магнитной “ подушкой”,создаваемой сверхпров. током.Оказывается,что могут “парить” довольно тяжелые предметы.Так,в одном из опытов был подвешен свинцовый цилиндр весом 5 кг.
Устройство, в котором используется описанное явление,называется сверхпроводящим подвесом.Такие подвесы могут использоваться в гироскопах,моторах и в ряде других устройств.Принцип механического отталкивания положен в основу создагния электрических машин,к.п.д. которых благодаря замечательным свойствам сверхпроводников равена 100%. В этих машинах ротор выполнен в виде шестиугольного сверхпроводящего
стаканчика.Два магнитика,вращающиеся по окружности статора,отталкивают от себя магнитной “подушкой” сверхпроводящий ротор.Последний при этом приходит во вращение, скорость которого доходит до 20 000 об/мин
и в принципе может быть увеличена до большого значения.
Самая заманчивая перспектива использования эффекта механического отталкивания связана с работами по созданию “сверхпроводящей “ железной дороги.Японцы первыми создали модель железной дороги на магнитной подушке с вагонами,в которых находятся сверхпроводящие магниты.Вагон весом 2 т и размером 4х1,5 х 0,8 м двигался над путепроводом со скоростью
на “магнитной подушке “ сможет двигаться со скоростью 500 км/ час!Эти разработки ведутся во всех странах Европы.
У нас разработан проект такой дороги между Петербургом и Москвой.
Это явление в лабораторных условиях рассмотрел в замечательном эксперименте В.К.Аркадьев,назвавший его “ гроб Магомета”.Над металличе-
ским кольцом, в котором циркулирует такой ток, поместить в сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности индуцируется сверхпроводящий ток.Его возникновение вследствие диамагнитного эффекта приведет к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой.В результате сфера оказывается висящей над кольцом на высоте,определяемой равенством силы
отталкивания и веса сферы.Подобный эффект механического отталкивания
наблюдается и в том случае, когда над сверхпроводящим кольцом помещается постоянный магнит,без видимой поддержки висящий над кольцом,в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие сверхпроводящие токи.
Сверхпроводящие трансформаторы.Отсутствие в них тепловых потерь;сверхпроводящие трансформаторы при большой мощности (до 1 000 000 квт) оказываются значительно более компактыми по сравнению с обычными.
В них можно не использовать сталь в качестве магнитного материала. Создаваемые сверхпроводниками магнитные поля намного превосходят значения напряженности,реализуемые в стальных материалах.
В последнее время в радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы.Добротность резонатора обратно пропорциональна
электрическому сопротивлению его стенок.Ясно,что применение сверхпроводников, не обладающих электрическим сопротивлением, является с этой точки зрения весьма перспективным. Так, обычный прямоугольный свинцовый резонатор при Т = 300 0 К и частоте 10 10 гц имеет добротность Q= 2*10 3 . Тот же резонатор, находящийся в сверхпроводящем состоянии (Т=4,2 0 К),характеризуется добротностью,достигающей Q= 4*10 8 .
Компактность мсожет использоваться в космическом корабле для
создания магнитной противорадиационной защиты.Космонавт должен взять в космос “ низкие температуры” и сверхпроводящий соленоид.
Квантование магнитного потока в сверхпроводниках используется для создания магнитомеров для измерения слабых магнитных полей.Приборы такого вида называются квидами.Они фиксируют изменения потока
Например, если площадь сечения сквида равна 0,1 см 2,то можно измерять поля ~10 -10 э!
Катушка с полем
переменного тока
Тонкая пленка
(~10 -6 cм толщиной)
Изображенный сквид представляет собой два тонких сверхпроводящих полуцилиндра, полученных напылением на катушку.Эти полуцилиндры соединены тонким мостиком, образующим слабую связь.Квантование этого магнитного потока приводит к ступенчатому характеру зависимости потока от внешнего магнитного поля.Это изменение потока генерирует сигнал в резонансном колебательном контуре.С помощью этих сигналов и регистрируются слабые изменения магнитного поля.
Сквиды используются для снятия магнитокардиограмм, т.е. для исследования сигналов от магнитного поля, создаваемого при работе сердца пациента.Сквид
располагается в криостате,на расстоянии нескольких сантиметров от сердца
пациента.Регистрируются резкие сигналы,идущие от сердца.Ясно,что этот метод важен для медицинских исследований.
Квантование магнитного потока может быть использовано для создания пространства,в котором вообще отсутствует магнитное поле.Если охладить цилиндр,внутри которого имеется слабое магнитное поле, до температуры ниже критической, то внутри цилиндра “заморозится” некоторый магнитный поток.Если после этого мы начнем постепенно увеличивать радиус цилиндра,то число квантов потока не изменится, но увеличение площади сечения повлечет за собой соответствующее уменьшение напряженности поля.Если использовать несколько вложенныхдруг в друга цилиндров.то описанным путем можно в конце концов добиться того, что во внутреннем цилиндре не будет содержаться ни одного кванта потока.
Таким образом, возникает область,не содержащая магнитного поля, т.е. создается идеальный магнитный экран.
Интересным прибором является также сверхпроводящий болометр.Он предназначается для измерения радиации в инфракрасной области спектра.
Основной частью такого болометра является тонкая проволока из сверхпроводника,находящаяся при температуре,близкой к критической. Под
действием падающей радиации, которая поглащается металлом,температура повышается и становится больше Тк.При этом сверхпроводимость разрушается,и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление.
Это приводит к легко регистрируемому падению напряжения.Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором.Порог чувствительности его составляет
10 -10 –10- 12 вт.
Техническая сверхпроводимость находится в развитии и составляет часть технической физики.
Использованная литература
1.Иваноа Б.Н.Законы физики.М.: Высшая школа.1986.
2.Кресин В.З.Сверхпроводимость и сверхтекучесть.М.:Наука,1978.
3.Парселл Э.Электричество и магнетизм.М.:Наука,1985.
(Берклиевский курс физики).
4.Суорц Кл.Э.Необыкновенная физика обыкновенных явлений.
В сборнике “Успехи физических наук”.М.:Наука,1986.
5.Тилли Д.,Тилли Дж.Сверхтекучесть и сверхпроводимость,пер.с англ.
М.: Наука,1977.
6.Физика микромира,Малая энциклопедия.М.:Советская энциклопедия,
1980, с.335-352.
7.Шубин А.С.Курс общей физики.М.:Высшая школа,1976.
8.Яворский Б.М.,ДетлафА.А..Справочник по физике.М.:Наука,1985,с.417.
