Надпровідність та її використання в техніці

2



МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра фізики напівпровідників



















Надпровідність та її використання в техніці

Курсова робота









студента 2 курсу , 4-ої групи

фізичного факультету

Біланича Р.М.







Науковий керівник:

проф. Грабар О.О.



Ужгород-2005


ВСТУП



1. ТЕОРІЯ НАДПРОВІДНОСТІ

 1.1 Чудеса поблизу абсолютного нуля

 1.2 Надпровідник у магнітному полі

 1.3 Рівняння Лондонів. Глибина проникнення

 1.4 Два типи електронів

 1.5 Абрикосові вихрі

 1.6 Теорія Бардіна-Купера-Шріффера

2. ВИКОРИСТАННЯ НАДПРОВІДНОСТІ В ТЕХНІЦІ

 2.1 Надпровідні соленоїди

 2.2 Надпровідні генератори

 2.3 Кабелі для передачі інформації

 2.4 Трансформатор постійного струму

 2.5 Магнітні підвіси і підшипники

 2.6 Надпровідні перемикачі й елементи пам’яті

 2.7 Надпровідні об’ємні резонатори

 2.8 Надпровідні екрани для магнітних полів

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА


ВСТУП



Коли давньогрецькі мислителі ще тільки дивувалися "силі, що таїться в янтарі і у магнітному камені ", приручений вогонь уже світив, грів, обпалював і плавив метал. Від завойованого і прирученого вогню людина повернулась до холоду. Відбулося це зовсім недавно, але створений нею рукотворний холод уже знайшов собі чимало застосувань. Логіка розвитку техніки привела до того, що в дивний світ найнижчих у природі температур почали опускати не тільки фізичні прилади, які реєструють що відбувається, але і цілі технічні пристрої. Відкриття, зроблені на цьому шляху, виявилися настільки своєрідними , властивості речовини - такими незвичайними , що одержання низьких температур і самі дослідження в умовах надглибокого холоду виділилися в самостійну науково-технічну область - фізику і техніку низьких температур. При низьких температурах було виявлено одне із самих дивних явищ у природі - надпровідність.

Про надпровідність стало відомо в 1911 році . Але протягом десятиліть дослідженням цього загадкового явища займалися лише деякі фізичні лабораторії. Довгий час про надпровідність знали лише дуже мало вчених, зайнятих розробкою фундаментальних основ фізики твердого тіла, термодинаміки , електромагнетизму. Пройшло майже піввіку від відкриття до правильного розуміння надпровідності .

Сьогодні надпровідність - це одна з найбільш досліджуваних областей фізики, явище, що відкриває перед інженерною практикою серйозні перспективи. В наш час розширюється використання явища надпровідності для турбогенераторів, електродвигунів, уніполярних машин, топологічних генераторів, жорстких і гнучких кабелів, комутаційних пристроїв, магнітних сепараторів, транспортних систем і багато іншого. Слід також відзначити важливий напрям в роботах по надпровідності - створення вимірювальних пристроїв для вимірювання температур, витрат, рівнів, тиску і т.д.


1. ТЕОРІЯ НАДПРОВІДНОСТІ



1.1 Чудеса поблизу абсолютного нуля



Чимало приводів для міркувань приніс фізикам початок XX століття. Серед них результати дослідів в умовах надглибокого холоду при температурах усього лише на кілька градусів вище абсолютного нуля.

 Поняття абсолютний нуль ввійшло у фізику в середині минулого століття. Випливаючи із газового закону, воно поступово поширилося на всі стани речовини, придбало фундаментальне значення для усієї фізики.

Абсолютному нулю відповідає температура -273,15 °С. Будь-яку речовину до меншої температури охолодити не можна . Іншими словами, при абсолютному нулі молекули речовини володіють найменшою можливою енергією, що уже не може бути віднята в тіла ні при якому охолодженні. При кожній спробі охолодити речовину енергії в ньому залишається усе менше і менше, але всю її речовина ніколи не зможе віддати більш холодному тілу. З цієї причини вчені не досягли абсолютного нуля і не сподіваються зробити це, хоча уже можна досягти температур порядку мільйонних часток градуса.

Дослідження при температурах, близьких до абсолютного нуля, здавна залучали до себе увагу вчених. Такі температури фізики називають кріогенними (від грецького слова " кріо "- холод ).

При кріогенних температурах відбувається багато дивного. Ртуть замерзає так, що нею можна забивати цвяхи, гума розлітається на осколки від удару молотком, деякі метали стають тендітними як скло. Усе це цікаво, але суть одержання низьких температур набагато глибше. Поводження речовини поблизу абсолютного нуля найчастіше не має нічого загального з її поводженням при звичайних температурах. Здавалося б, разом з теплом із речовини іде й енергія, а застигла речовина вже не може представляти інтересу.

Ще сторіччя назад так і вважали: абсолютний нуль - це смерть матерії. Але фізики одержали можливість працювати при наднизьких температурах , і виявилося, що область поблизу абсолютного нуля не така уже й мертва. Зовсім навпаки: тут починають виявлятися численні красиві ефекти, що при звичайних умовах, як правило, замасковані тепловим рухом атомів. Саме тут починається той світ - дивний і часом парадоксальний, котрий називається надпровідністю. Надпровідність - здатність речовини пропускати електричний струм, не роблячи йому навіть найменшого опору. Відкриттям цього унікального явища, що не має аналога в класичній фізиці, ми зобов'язані чудовому голландському вченому Гейке Камерлінг-Оннесу.

Камерлінг-Оннес проклав дорогу. По ній уже більш як 94 роки йдуть багато учених світу, і ще на довго залишиться вона оживленою магістраллю науки. Але як би далеко від початку ми не пішли, варто пам'ятати, що колись її зовсім не було на карті природознавства.

Класична теорія електромагнетизму добре пояснювала той факт, що опір електричного провідника зменшується разом з падінням температури. Схематично це пояснення полягає в наступному. Електричний струм є не що інше, як проходження вільних електронів через кристалічну решітку провідника. При кімнатній температурі теплові коливання атомів у решітці збільшують можливість зіткнення електронів з ними; це затримує потік електронів, що означає підвищення опору струму. При низькій температурі амплітуда коливань атомів зменшується, електрони зіштовхуються з атомами менш часто, і струм зустрічає менший опір . При абсолютному нулі передбачається, що коливання зовсім припиняються. Однак невеликий опір струму все-таки залишається, тому що деякі електрони усе ще будуть зіштовхуватися з тепер уже нерухомою коміркою, з дефектами і забрудненнями, що спотворюють структуру комірки у всіх кристалах. Ця модель тривалий час задовольняла фізиків. Відкриття Камерлінг-Оннеса в 1911 році показало її непридатність. Камерлінг-Оннес заморозив ртуть за допомогою рідкого гелію і пропустив через неї струм. Опір ртуті зменшувався разом з температурою. Ртуть поводилася звичайним чином до тих пір , поки температура не досягла 4,2К. Раптом електричний опір ртуті зник; не було навіть передбаченого класичною моделлю залишкового опору, який вказує на зіткнення між електронами та дефектами і домішками в кристалічній решітці (Рис. 1).





Рис. 1



Раптове зникнення опору в надпровідниках при наближенні до температури абсолютного нуля відзначено на цьому графіку пунктирною лінією. Опір надпровідних металів зменшується зі зниженням температури до деякої скінченної величини (суцільна крива).

Камерлінг-Оннес знайшов, що й інші метали, такі як олово, свинець, тантал і ніобій , теж виявляють таке ж різке зникнення опору поблизу абсолютного нуля.

Камерлінг-Оннес в 1914 році запропонував дуже хороший метод вимірювання опору. Схема експерименту виглядала досить просто (Рис. 2).

Котушку зі свинцевого провідника опускали в кріостат - пристрій для проведення дослідів при низьких температурах. На початку досліду ключ 1 був замкнутий, а 2 розімкнутий. Охолоджувана гелієм котушка знаходилася у надпровідному стані. При цьому струм, що йшов по котушці, створював навколо неї магнітне поле, що легко виявлялося по відхиленню магнітної стрілки, розташованої поза кріостатом. Потім ключ 2 замикався, а ключ 1 розмикався, так що тепер надпровідна обмотка виявлялася замкнутою накоротко. Стрілка компаса, однак, залишалася відхиленою, що вказувало на наявність струму в котушці, вже відключеної від джерела струму. Спостерігаючи за стрілкою протягом декількох годин (поки не випарувався весь гелій із посудини), Оннес не помітив ні найменшої зміни у відхиленні стрілки. "Навіть наступного дня ,- писав Оннес,- електрони продовжували свій рух. Як тільки котушку виймали з рідкого гелію, струм негайно припинявся ." По результатам досвіду Оннес прийшов до висновку, що опір надпровідної свинцевої дротини щонайменше в 1011 раз менше її опору в нормальному (ненадпровідному) стані.

Згодом аналогічні експерименти по наведенню струму і контролю його загасання в замкнутих надпровідних петлях неодноразово проводилися й іншими дослідниками. У жодному з подібних дослідів не була відзначена зміна струму. Було встановлено, що час загасання струму перевищує багато років, і з цього випливало, що питомий опір надпровідника менше ніж 10-25 Ом·м. Порівняємо це з питомим опором міді при кімнатній температурі , який становить 1,55· 10-8 Ом·м - різниця настільки велика, що без сумніву можна вважати: опір надпровідника дорівнює нулю. 

Камерлінг-Оннес спочатку думав, що з освоєнням надпровідності для електротехніки почнеться золоте століття. Вже в 1913 році він публікує в журналі "Повідомлення з лейденської лабораторії" статтю, у якій пропонує побудувати потужний електромагніт з обмотками із надпровідного матеріалу. Такий магніт не споживав би електроенергії, і з його допомогою можна було б одержувати дуже сильні магнітні поля. Оннес міркував, що оскільки опір дорівнює нулю, то струм у ланцюзі відповідно до закону Ома може бути як завгодно великим. Якби так...

Як тільки пробували пропускати по надпровіднику значний струм, надпровідність зникала. І це ще не усе. Незабаром виявилося, що і слабке магнітне поле (з індукцією , що рівна сотим часткам тесли) також знищує надпровідність. Це відкриття на довгі роки погасило райдужні надії фізиків і електротехніків. Існування критичних значень температури, струму і магнітної індукції різко обмежувало практичні можливості надпровідників. Стало ясно, що надпровідність - не більш ніж фізична іграшка, феномен, що збуджує цікавість фізиків. 



1.2 Надпровідник у магнітному полі



Те, що в магнітному полі, яке перевищує деяке граничне чи критичне значення, надпровідність зникає, зовсім безперечно. Це експериментальний факт. Навіть, якщо якийсь метал і позбудеться опору при охолодженні, то він може знову повернутися в нормальний стан, потрапивши в зовнішнє магнітне поле. При цьому в металі відновлюється приблизно той же опір, що був в нього при температурі, що перевищує критичну температуру Тк надпровідного переходу. Саме критичне поле з магнітною індукцією Вк залежить від температури: індукція дорівнює нулю при температурі Т = Тк і зростає при температурі, що прямує до нуля. Звичайно, усі метали мають різні значення магнітної індукції Вк; але для багатьох з них залежність індукції Вк від температури подібна до тої , що зображена на рисунку 3, а. Це породило впевненість, що механізм надпровідності для всіх металів якісно той самий. Рисунок 3, б можна розглядати як діаграму, де лінія залежності В(Т) для кожного металу розмежовує області існування різних фаз. Область нижче цієї лінії відповідає надпровідному стану , вище - нормальному.

Розглянемо тепер поводження ідеального провідника (тобто провідника, в якому відсутній електричний опір) в різних умовах. У такого провідника при охолодженні нижче критичної температури електропровідність стає нескінченною. Саме ця властивість і дозволяла вважати надпровідник ідеальним провідником.

Магнітні властивості ідеального провідника випливали із закону індукції Фарадея й умови нескінченної електропровідності. Припустимо , що перехід металу у надпровідний стан відбувається при відсутності магнітного поля і зовнішнє магнітне поле прикладається тільки після зникнення опору.

Тут не треба ніяких тонких експериментів, щоб переконатися в тім, що магнітне поле всередину надпровідника не проникає . Дійсно, коли метал потрапляє в магнітне поле, то на його поверхні внаслідок електромагнітної індукції виникають незатухаючі замкнуті струми (їх часто називають екрануючими струмами ) , що створюють своє магнітне поле, індукція якого по величині дорівнює індукції зовнішнього магнітного поля, а напрямки векторів магнітної індукції цих полів протилежні. У результаті індукція сумарного магнітного поля в середині ідеального провідника дорівнює нулю. Виникає ситуація, при якій метал ніби перешкоджає проникненню в нього магнітного поля, тобто поводиться як діамагнетик. Якщо тепер зовнішнє магнітне поле забрати, то зразок виявиться у своєму початковому не намагніченому стані. Розглянемо іншу послідовність подій. Метал, що знаходиться в нормальному стані, помістимо в магнітне поле і потім охолодимо його для того, щоб він перейшов у надпровідний стан. Зникнення електричного опору не повинне робити впливу на намагніченість зразка, і тому розподіл магнітного потоку в ньому не зміниться. Якщо тепер прикладене магнітне поле забрати, то зміна потоку зовнішнього магнітного поля через обсяг зразка приведе (за законом індукції) до появи незатухаючих струмів, магнітне поле яких точно компенсує зміну зовнішнього магнітного поля. В результаті захоплене поле не зможе вийти: воно виявиться "замороженим" в об’ємі зразка і залишиться там як у своєрідній пастці (Рис.5).

Як бачимо, магнітні властивості ідеального провідника залежать від того, яким шляхом він попадає в магнітне поле. Справді , наприкінці цих двох операцій - накладання і зняття поля - метал виявляється в тих самих умовах - при однаковій температурі і нульовому зовнішньому магнітному полю. Але магнітна індукція металу-зразка в обох випадках зовсім різна - нульова в першому випадку і кінцева, залежна від вихідного поля в другому.





Рис .5



Ці представлення , засновані на багаторазово перевірених законах електромагнетизму, здавалося б, відмінно відповідали експерименту. У всякому разі, в одному зі своїх експериментів Камерлінг-Оннес підтвердив таке складне поводження надпровідника. І все-таки, намальована вище картина виявилася невірною. Надпровідники, як з'ясувалося ,- це щось більше, ніж речовини з нескінченною електропровідністю. 

У 1933 році німецькі фізики Мейснер і Оксенфельд вирішили експериментально перевірити, як саме розподіляється магнітне поле навколо надпровідника. Результат виявився несподіваним. Незалежно від умов проведення експерименту магнітне поле в глиб надпровідника не проникало. Разючий факт, виявлений Мейснером і Оксенфельдом, полягав у тому, що надпровідник, охолоджений нижче критичної температури в постійному магнітному полі, мимовільно виштовхує це поле зі свого об’єму, переходячи в стан, при якому магнітна індукція В рівна нулю , тобто стан ідеального діамагнетизму. Це явище одержало назву ефекту Мейснера . Як відомо, метали, за винятком феромагнетиків, під час відсутності зовнішнього магнітного поля володіють нульовою магнітною індукцією. Поміщені в зовнішнє магнітне поле, вони намагнічуються, тобто всередині "наводиться" магнітне поле. Сумарне магнітне поле речовини, внесеної в зовнішнє магнітне поле, характеризується магнітною індукцією В , рівною сумі індукції В0 зовнішнього й індукції В1 внутрішнього магнітних полів, тобто В = В0 + В1. При цьому сумарне магнітне поле може бути як більше, так і менше магнітного поля. Для того щоб визначити ступінь участі речовини в створенні магнітного поля з індукцією В , знаходять відношення значень індукції В / В0 =μ. Коефіцієнт μ називають магнітною проникністю речовини. Речовини, у яких при накладенні зовнішнього магнітного поля виникаюче внутрішнє поле додається до зовнішнього (μ>1), називаються парамагнетиками. У діамагнетиках (μ < 1) спостерігається ослаблення прикладеного поля, внутрішнє поле спрямоване проти зовнішнього, і індукція В < В0. У надпровідниках В = 0, що відповідає нульовій магнітній проникності. Має місце, як говорять, ефект ідеального діамагнетизму.

Отже, на відміну від ідеальних провідників надпровідники не дозволяють магнітному полю проникнути в їхню товщу. Якщо надпровідний провідник помістити в зовнішнє магнітне поле, то в поверхневому шарі металу виникнуть екрануючі струми, які створять всередині провідника магнітне поле, рівне і протилежне зовнішньому. Розподіл поля стає таким, як зображено на рисунку 6. Магнітне поле, раніше однорідне, пронизуючи нормальний метал, при температурі Т < Тк виштовхується з металу, концентруючись на його периферії.





Рис .6



Тут ми зустрічаємося з цікавим фактом. Добре відомо, що в замкнутому контурі струм з'являється тільки в тому випадку, коли електромагнітне поле міняється в часі. У випадку ефекту Мейснера це поле постійне в часі. Відповідно до відомих фізичних представлень, здавалося б, немає ніяких причин для появи струмів, що створюють власне магнітне поле, спрямоване протилежно прикладеному.

Однак діамагнетизм надпровідників можна продемонструвати за допомогою дуже ефектного досліду. Уявіть собі магніт, що вільно парить у повітрі над шаром надпровідного матеріалу. Цей експеримент , який іноді називають "магометовою труною" , був здійснений ще в 1945 році московським професором В. К. Аркадєвим. Постійний магніт, що лежить на свинцевій пластинці, піднімався на деяку висоту і висів над пластинкою, у якій циркулювали незатухаючі надпровідні струми. Магніт вільно парив над шаром надпровідника, цілком підтримуваний власним магнітним полем.

Для магнітного поля надпровідник - нездоланна перешкода, площина, від якої, як від дзеркала, відбивається це поле. Найменший рух магніту викликає зміну магнітного поля надпровідних струмів. Зі збільшенням магнітного поля надпровідні струми теж зростають, щоб зберегти ідеальний діамагнетизм. Коли прикладене магнітне поле стає досить великим, екрануючі струми досягають свого критичного значення і метал втрачає надпровідні властивості. При цьому струми зникають, і магнітне поле проникає в метал.



1.3 Рівняння Лондонів . Глибина проникнення



У 1935 році німецькі фізики брати Лондони спробували кількісно описати електричні і магнітні властивості надпровідників. Запропоновані ними рівняння мають для надпровідників таке ж значення, яке має закон Ома для нормальних провідників. Для нормального провідника густина струму Ј пропорційна напруженості електричного поля Е: Ј = σЕ (σ - електропровідність).

Застосуємо закон Ома (І = U/R) до однорідного провідника довжиною l і перетином S. Внаслідок симетрії форми провідника електричне поле в ньому має напруженість , рівну Е = U/l , а густина струму Ј = l/S. Підставляючи ці вирази в закон Ома, одержимо Е·l/ (Ј·S) = R , звідки Ј =E·l/(S·R)= E/ρ , де ρ - питомий опір провідника , рівний ρ = R·(S/l) , а σ = 1/ ρ - питома електропровідність. Зв'язок між густиною струму і електричним чи магнітним полем для надпровідників задається двома рівняннями Лондонів. Перше рівняння описує ідеальну провідність: поле прискорює електрон, що рухається в середовищі без опору. Друге рівняння відбиває ефект Мейснера. Воно описує загасання магнітного поля в тонкому поверхневому шарі надпровідника і тим самим немов руйнує представлення про ідеальний діамагнетизм.

Взагалі говорячи, у цьому немає нічого дивного. Діамагнетизм надпровідників - це поверхневий ефект; магнітне поле не проникає в товщу зразка. Однак воно не може бути виштовхнуте цілком з усього об’єму металу, включаючи його поверхню. Інакше на поверхні магнітне поле стрибком зменшиться до нуля. Отже, магнітне поле хоч не багато, але проникає у надпровідник. Саме в цьому тонкому приповерхневому шарі і протікають незатухаючі струми, які екранують від впливу зовнішнього магнітного поля області, віддалені від поверхні. Товщина цього шару, що одержала назву глибини проникнення поля λ, є однією з найважливіших характеристик надпровідника.

Таким чином, хоча ми і говоримо, що надпровідник є ідеальним діамагнетиком, насправді магнітне поле злегка в нього проникає . Теорія Лондонів дозволила знайти залежність індукції магнітного поля від глибини проникнення: В(х) = В0·e-λ·x. Ця залежність експоненціальна, вона показана на рисунку 7. Звичайно, усі метали мають різні значення λ, але, загалом , глибина проникнення дуже мала, порядку кількох сотень ангстрем , тому і здається, що масивні зразки поводяться як ідеальні діамагнетики з індукцією В = 0. Але на маленьких зразках (таких , як порошки чи тонкі плівки), розміри яких порівнянні з глибиною проникнення магнітного поля, " не ідеальність " надпровідників стає помітною. У їхній товщі спостерігається дуже істотний магнітний потік, і властивості їх значно відрізняються від властивостей масивних зразків. Але саме цікаве в тому, що зі зменшенням розмірів зразка збільшується його критичне магнітне поле. Глибина проникнення не є постійною величиною - вона залежить від температури зразків. Залежність ця виглядає приблизно так, як показано на рисунку 8. Чим більше температура відрізняється від критичної, тим на меншу глибину в зразку проникає магнітне поле. В міру наближення до температури переходу магнітне поле все глибше проникає в товщину зразка, поки нарешті в самій точці переходу нормальний стан не охопить весь об’єм зразка. Поблизу критичної температури надпровідники вже не є ідеальними діелектриками.





Рис .7 Рис .8



1.4 Два типи електронів



Багато властивостей надпровідників можна пояснити, якщо припустити, що при температурі нижче температури переходу електрони провідності поділяються на два типи. Одні поводяться як "надпровідні" електрони - вони можуть проходити через метал без опору, інші, "нормальні" електрони можуть розсіюватися і зазнавати опір так само, як електрони провідності в нормальному металі.

Тому і виходить, що надпровідник при температурі нижче температури переходу ніби просочений двома електронними рідинами: одна складається з "нормальних" електронів, а інша - з "надпровідних". Із зниженням температури "надпровідний" компонент зростає, густина "нормальної" електронної рідини зменшується і при температурі Т = 0 перетворюється в нуль. У точці ж фазового переходу, де температура Т = Тк, зникає "надпровідна" частина електронної рідини і всі електрони стають "нормальними" - метал втрачає надпровідні властивості.

Надпровідність являє собою колективний ефект, і правильніше говорити не про дві частини електронної рідини, а про два типи рухів, що можуть існувати.

Підхід, заснований на "дворідинній" моделі надпровідного стану, виявився дуже плідним. Цим вдалося пояснити, принаймні якісно, досить складні дані експерименту, зокрема особливості теплопровідності в надпровідниках. Якщо в нормальному металі число електронів, що беруть участь у теплопровідності, не міняється при зміні температури, то в надпровідниках відповідальний за теплопровідність "нормальний" компонент зменшується зі зниженням температури.

Зменшення числа носіїв, що переносять енергію, з температурою природно приводить до зменшення електронної складової теплопровідності, що і відповідає експерименту.

З наявністю двох типів електронів у надпровіднику фізики зв'язують і ефект Мейснера. Кожному з них, вважають вони, відповідає своя електродинаміка. "Нормальні" електрони повинні задовольняти основним рівнянням електродинаміки, реагуючи на збільшення магнітного поля ; " надпровідні ", навпроти, реагують на абсолютну величину цього поля, що формально відбивається другим рівнянням Лондонів.

Словом, " дворідинна " модель - зручний метод, який дозволяє наглядно представляти складні процеси, що відбуваються в речовині, яка знаходиться у надпровідному стані.

 Розповівши про дію магнітного поля на надпровідники, ми не згадали ще про цілий ряд важливих обставин, що істотно доповнюють намальовану нами картину. Ось ми говорили, що після досягнення критичного значення магнітного поля надпровідність стрибком руйнується і зразок цілком переходить у нормальний стан. Це справедливо і тоді, коли зовнішнє магнітне поле має те саме значення в будь-якій точці на поверхні зразка. Така проста ситуація може бути реалізована, зокрема , для дуже довгого і тонкого циліндра з віссю, спрямованою уздовж поля.

Якщо ж зразок має іншу форму, то картина переходу в нормальний стан у зовнішньому магнітному полі виглядає набагато складніше. З ростом поля настає момент, коли воно стає рівним критичному в якому-небудь одному місці поверхні зразка. Наприклад, якщо зразок має форму кулі, то виштовхування магнітного поля приводить, як це видно з рисунка 9, до скупчення силових ліній в околі його екватора. Такий розподіл поля є результатом накладання на рівномірне зовнішнє магнітне поле з індукцією В магнітного поля, створюваного екрануючими струмами.

Очевидно, розподіл силових ліній магнітного поля обумовлено геометрією зразка. Для простих тіл цей ефект можна характеризувати одним числом, так званим коефіцієнтом розмагнічування. Якщо, наприклад, тіло має форму еліпсоїда, одна з осей якого спрямована уздовж поля, то на його екваторі поле стає рівним критичному при виконанні умови В = Вк·(1-N).





Рис. 9



При відомому коефіцієнті розмагнічування N можна визначити поле на екваторі. Для кулі, наприклад, N = 1/3, так що на екваторі його магнітне поле стає критичним при індукції В0=(2/3)∙Вк. При подальшому збільшенні поля надпровідність поблизу екватора повинна зруйнуватися. Однак уся куля не може перейти в нормальний стан, тому що в цьому випадку поле проникнуло б усередину кулі і стало б рівним зовнішньому полю, тобто виявилося б менше критичного. Настає часткове руйнування надпровідності - зразок розшаровується на нормальні і надпровідні області. Такий стан, коли в зразку існують одночасно і надпровідні і нормальні області, називається проміжним.

Теорія проміжного стану була розроблена Л. Д. Ландау. Відповідно до цієї теорії в інтервалі магнітних полів з індукцією В1 <В0< Вк (В1- індукція зовнішнього магнітного поля, у той момент, коли в якому-небудь місці поверхні поле досягає значення індукції Вк) надпровідні і нормальні області співіснують, утворюючи сукупність зон різної електропровідності, що чергуються між собою. Ідеалізована картина такого стану для кулі зображена на рисунку 10,а.





Рис .10



Реальна картина набагато складніша. Структура проміжного стану, отримана при дослідженні олов'яної кулі, показана на рисунку 12,б (надпровідні області заштриховані). Не треба думати, що картина ця статична. Співвідношення між кількостями S- і N-областей безупинно міняється. З ростом поля надпровідна S-фаза "тане" за рахунок росту N-областей і при індукції В = Вк зникає цілком. І все це зв'язано з утворенням і зникненням границь між S- і N-областями. А утворення всякої поверхні розділу між двома різними станами повинне бути зв'язане з додатковою енергією. Ця поверхнева енергія грає дуже істотну роль і є важливим чинником. Від неї, зокрема , залежить тип надпровідника.

На рисунку 11 схематично показана границя між нормальною і надпровідною областями. У нормальній області магнітне поле дорівнює критичному (чи більше). На границі немає різкого переходу від цілком нормального стану до цілком надпровідного. Магнітне поле проникає на відстань λ у глибину надпровідної області, і число " надпровідних " електронів n на одиницю об'єму повільно підвищується на відстані, рівній деякій характеристичній довжині, яку називають довжиною когерентності ξ.

Глибина проникнення λ , як ми вже говорили , має порядок 10-5.. 10-6 см , а довжина когерентності для чистих металів, по оцінках англійського фізика А. Піппарда, повинна бути порядку 10-4 см. Як показали радянські фізики В. Л. Гінзбург і Л. Д. Ландау, поверхнева енергія буде позитивною, якщо відношення λ/ξ, менше ніж 0,7. Цей випадок реалізується в речовин, що прийнято називати надпровідниками І роду. Надпровідники першого роду, чи м'які надпровідники, як правило, це чисті метали.

Отже, у надпровідниках І роду поверхнева енергія позитивна, тобто в нормальному стані вища, ніж у надпровідному. Якщо у товщині такого матеріалу виникає нормальна зона, то для створення границі між надпровідною і нормальною фазами необхідна витрата деякої енергії. Це і пояснює причину розшарування надпровідника в проміжному стані тільки на кінцеве число зон. При цьому розміри S- і N-областей можуть бути порядку міліметра, їх можна бачити навіть неозброєним оком, покриваючи поверхню зразка тонким магнітним чи надпровідним (діамагнітним) порошком. Магнітні порошки притягаються полем і розташовуються на виході нормальних шарів, як показано на рисунку 11.





Рис .11



Тепер про надпровідники ІІ роду. Проміжний стан відповідає ситуації, коли відстань λ<ξ. Але можуть бути речовини, у яких довжина когерентності менше глибини проникнення. Величина 10-4 см відповідає тільки чистим металам, для них поверхнева енергія завжди позитивна. У неоднорідних металах при наявності домішок все інакше. Зіткнення електронів з атомами домішки можуть привести до зниження довжини когерентності ξ. У таких матеріалах, як сплави, довжина когерентності виявляється меншою, і часто в сотні разів, ніж глибина проникнення. Таким чином, надпровідники ІІ роду - це сплави і метали з домішками.

У надпровідниках ІІ роду поверхнева енергія негативна (λ>ξ), тому створення границі розділу між фазами пов'язано із звільненням деякої енергії. Всяке тіло прагне понизити свою енергію, якщо є для цього можливість. У надпровідників з негативною поверхневою енергією така можливість є. Їм енергетично вигідно пропустити у свій обсяг частину зовнішнього магнітного потоку. Речовина при цьому розпадається на деяку суміш із дрібних надпровідних і нормальних областей, границі яких паралельні напрямку прикладеного поля. Такий стан прийнятий називати змішаним.



1.5 Абрикосові вихрі



Надпровідники ІІ роду характеризуються дуже своєрідними електромагнітними властивостями. Дуже цікавою є картина проникнення магнітного поля в товщину такого зразка.

Ще в 1936 р. радянський фізик Л. В. Шубніков, експериментуючи із надпровідними сплавами, знайшов, що магнітне поле проникає в зразок, який частково усе ще залишається надпровідним. Значення поля, при якому починається проникнення, одержало назву нижнього чи першого критичного магнітного поля з індукцією Вк1, а при другому - верхньому критичному значенні магнітного поля з індукцією Вк2 надпровідність цілком зникає у всьому зразку. У проміжку між цими значеннями полів ефект Мейснера виявляється не цілком і надпровідник знаходиться в особливому змішаному стані.

Дуже важливо відрізняти змішаний стан надпровідників ІІ роду від проміжного стану надпровідників І роду. Між ними немає нічого загального. Проміжний стан залежить від форми зразка і розташування його щодо магнітного поля і виникає далеко не завжди. Змішаний же стан є внутрішньою властивістю надпровідників ІІ роду; воно обумовлено самою їхньою природою і виникає завжди в зразках будь-якої форми, як тільки магнітне поле досягає значення цього стану.

Можливість реалізації такого стану у надпровідних сплавах була передбачена ще в 1952 році радянським фізиком А. А. Абрикосовим. Пізніше, у 1957 році, ним був зроблений детальний розрахунок і розроблена теорія змішаного стану. Виявилося, що проникнення магнітного поля в середину надпровідника зв'язано з утворенням у ньому особливої ниткоподібної структури. При частковому проникненні магнітного поля в товщу зразка електрони під дією сили Лоренца починають рухатися по колам, утворюючи своєрідні вихрі. Їх так і називають - абрикосові вихрі. Всередині вихру швидкість обертання електрона зростає в міру наближення до осі вихра , і на деякій відстані від неї відбувається "зрив" надпровідності. Всередині кожного вихру надпровідність зруйнована, але в просторі між ними вона зберігається.

У результаті надпровідний зразок виявляється пронизаний вихровими нитками, що представляють собою тонкі ненадпровідні області циліндричної форми, орієнтовані в напрямку силових ліній магнітного поля (Рис. 12). По цих нитках-циліндриках магнітне поле і проникає в надпровідник.







Рис. 12 Рис .13



Тут не можна не відзначити однієї надзвичайно важливої обставини. Справа в тім, що величина магнітного потоку в кожному циліндрику не довільна, а дорівнює визначеному значенню - значенню порції магнітного потоку Ф0 = 2· 10-15 Вб. Величина Ф0 називається квантом магнітного потоку. Чим більше зовнішнє магнітне поле, тим більше таких ниток-циліндриків, а отже, більше квантів магнітного потоку проникає в надпровідник. Тому магнітний потік у надпровіднику міняється не неперервно , а стрибком, дискретно. Звичайно дискретність фізичних величин виявляється в мікросвіті. Там багато фізичних величин можуть приймати тільки визначені значення, як говорять фізики: величини квантуються . У макроскопічних тілах квантові ефекти звичайно перестають бути помітними, оскільки через хаотичний тепловий рух відбувається усереднення величини по великому числу її різних значень .

Інша справа - низькі температури. Поблизу абсолютного нуля, коли тепловий рух не грає значної ролі, ми зіштовхуємося з дивним явищем - закони квантової механіки починають працювати в макроскопічних масштабах. Приклад тому - квантування магнітного потоку в надпровіднику. Саме у виді квантів магнітного потоку - флюксоїдів - магнітне поле проникає всередину надпровідника.

При збільшенні магнітного поля вихрові нитки зближаються, щільність їх збільшується, і при деякому значенні поля, коли відстань між нитками стає приблизно 10-4 сантиметра , надпровідність руйнується і зразок переходить у нормальний стан.

Сучасна експериментальна техніка дозволяє безпосередньо спостерігати абрикосові вихрі. Для цього на поверхню зразка наносять магнітний порошок. Частинки накопичуються в тих областях, куди проникнуло магнітне поле.

Розміри кожної області невеликі і звичайно складають мільйонні частки метра. Якщо подивитися на поверхню в електронний мікроскоп, то видні темні плями.

Структура абрикосових вихрів, отримана таким способом, показана на рисунку 13. Видно, що вихрі розташовані періодично утворюють комірку, аналогічну кристалічній. Вихрова комірка є трикутною (її можна скласти з повторюваних правильних трикутників).



1.6 Теорія Бардіна-Купера-Шріффера



Багато вчених у різних країнах, використовуючи різні підходи, внесли вклад у створення теорії надпровідності. Першим з них був чудовий радянський фізик Л. Д. Ландау. Він першим зіставив два "дивних" явища - надпровідність і надтекучість і припустив, що ці явища тісно зв’язані між собою . Надпровідність - це надтекучість електронної рідини. Ідея Ландау виявилася дуже плідною , на її основі було побудовано більшість теорій надпровідності.

У 1950 р. В. Л. Гінзбург і Л. Д. Ландау запропонували феноменологічну теорію надпровідності, що дозволила розрахувати ряд суттєвих властивостей надпровідників, описати їхнє поводження в зовнішньому полі. Теорія ця була обґрунтована Л. П. Горьковим , який розробив метод дослідження надпровідного стану, що застосовується зараз у теоретичних розробках.

Наступний крок був зроблений майже одночасно радянським фізиком академіком Н. Н. Боголюбовим і американськими фізиками Бардіним, Купером і Шріффером. Американські учені встигли трохи раніше поставити останню крапку.

Надпровідність, як виявилося, виявляється в тих випадках, коли електрони в металі групуються в пари, що взаємодіють через кристалічну решітку. Вони тісно зв'язані між собою, так що розірвати пари і роз’єднати електрони надзвичайно важко. Такі могутні зв’язки дозволяють електронам рухатися без всякого опору крізь решітку кристала, допомагаючи один одному.

Виходячи з цих представлень, Бардін, Купер і Шріффер у 1957 р. побудували довгоочікувану мікроскопічну теорію надпровідності , за яку вони в 1972 р. були визнані гідними Нобелівської премії. Ця теорія, відома сьогодні за назвою "теорія БКШ", не тільки дозволила з упевненістю сказати, що механізм надпровідності дійсно ясний, але і вперше привела до встановлення зв'язку між критичною температурою Тк і параметрами металу.


2. ВИКОРИСТАННЯ НАДПРОВІДНОСТІ В ТЕХНІЦІ



З часів відкриття надпровідності обговорюються можливості технічного використання цього разючого явища. Незрозуміла провідність не давала спокою і фізикам, і інженерам. Хотілося якнайшвидше переконатися в тому, що вона може дати практичні плоди. Але пройшло майже піввіку, перш ніж надпровідність почала виходити зі стін лабораторій на дорогу практичного застосування. Цьому сприяли кілька обставин. Тут і розвиток техніки низьких температур, і поява теоретичних робіт, що пояснили природу надпровідного стану, і відкриття нових квантових ефектів, і, звичайно, створення надпровідних матеріалів з високими критичними параметрами .

Успіхи експериментального і теоретичного досліджень дали реальну можливість приступити до робіт по освоєнню цього чудового фізичного явища. Надпровідність почала як би друге життя, але тепер уже не в якості зацікавленого лабораторного феномена, а як явище, відкриваюче перед наукою і технікою дуже серйозні перспективи.

Найважливіша область техніки, де застосування надпровідників обіцяло зробити великі зміни, визначилася уже в перші роки після відкриття цього явища - це передача електричного струму і створення сильних магнітних полів.

Можна назвати сотні різноманітних фізичних, технічних і чисто інженерних задач, що поєднуються загальною вимогою: для їхнього здійснення потрібні сильні магнітні поля. Мова йде про енергетику, що створює нові генератори, і про водолазні роботи по підйому затонулих судів, і про фізику, зайняту проблемами термоядерного синтезу і прискоренням заряджених часток до надвисоких енергій... Усе це області, де вимагаються легкі, могутні й економічні магніти. Але ключі до проблеми створення потрібних магнітів учені довгий час не могли знайти. Здавалося б, що тут складного? Досить пустити сильний струм по витках соленоїда, і він стане потужним магнітом. З тих пір як Ампер з'ясував, що соленоїд поводиться так само, як і природний магніт, усі сучасні магніти виготовляються по цьому принципу. У кожному з них є спіраль - обмотка, по якій проходить струм. Чим більша сила струму, тим сильніше магнітне поле.

Електромагніти теоретично не мають межі по своїй "силі" чи інтенсивності (індукції магнітного поля). Але це тільки теоретично. Коли ж за допомогою струму створюють магнітне поле, мають місце два побічних ефекти, що і визначають складності одержання великих полів. По-перше, на елемент проводу довжиною l і зі струмом І , що знаходиться в магнітному полі з індукцією В, діє сила F = ВІΔlsіnα, де α - кут між вектором індукції В і напрямком струму. Отже, на провід зі струмом будуть діяти сили, пропорційні силі струму й індукції поля, створюваного соленоїдом. Ці сили збільшуються зі збільшенням поля і прагнуть розірвати соленоїд і, крім того, притискають крайні витки до середнього. По-друге, при протіканні струму І по провіднику з опором R виділяється потужність P = І2R. Ця потужність пропорційна квадрату сили струму І2, і, отже, вона буде збільшуватися зі збільшенням індукції створюваного поля. Виходить, якщо підсилити магнітне поле, наприклад, у 10 разів, то необхідно збільшити потужність у 100 разів. Розширення обсягу робочого простору також буде супроводжуватися збільшенням потужності, що виділяється. Звідси виходить, що для живлення одного потужного магніту потрібна ціла електростанція, а для охолодження - водокачка.



2.1 Надпровідні соленоїди



Обмотку соленоїда можна зробити із надпровідного матеріалу. Такий соленоїд може працювати, майже не споживаючи електроенергії, оскільки один раз збуджений у ньому струм не загасає. Потрібно тільки підтримувати соленоїд при низькій температурі, а для цього вимагаються дуже малі потужності. Таким чином, експлуатація надпровідних магнітів виключає потребу у великих джерелах споживання. Для споживання годяться звичайні батареї, чи генератори або акумулятори.

Зважується проблема відводу тепла. При нульовому опорі і потужність, що виділяється, рівна нулю . Правда, проблема міцності залишається , тому рекордних полів надпровідні соленоїди не створюють. Але зате вони легші і менші по розмірах, ніж звичайні . У порівнянні з кріогенними надпровідні соленоїди вимагають у сотні разів меншої витрати холодоагенту. Так, при індукції магнітного поля 10..15 Тл надпровідний магніт важить усього кілька десятків кілограмів, і із усім стосовним до нього устаткуванням займає площу кілька квадратних метрів і витрачає приблизно 10 л рідкого гелію в добу. І це замість декількох десятків тонн і тисяч кіловат електроенергії, що знадобилися б для роботи не надпровідного магніту з тими ж параметрами. 

Ідея використання явища надпровідності для створення сильних магнітних полів виникла відразу ж після його відкриття. Вже в 1913 р. Камерлінг-Оннес вирішує побудувати надпровідний магніт з індукцією, рівною 10 Тл , що не споживає енергії. Але мрії Оннеса не призначено було збутися, принаймні при його житті. Надпровідність, як з'ясувалося, руйнувалася в магнітних полях, у тисячі разів більш слабких. Оскільки такі поля (індукцією в соті частки тесла) можна було набагато простіше одержувати за допомогою постійних магнітів, реалізацією ідеї створення надпровідних магнітів ніхто тоді серйозно не зайнявся. 

Надії на будівлю могутніх надпровідних магнітів відродилися на початку 30-х років, коли голландські фізики Хаас і Воогд знайшли, що сплави свинцю з вісмутом зберігають надпровідність аж до полів з індукцією 2 Тл. Це відкриття давало можливість будувати надпровідні магніти принаймні з таким же магнітним полем. Однак їх так ніхто і не став будувати.

В історії надпровідних магнітів відбулася дуже драматична подія. Спадкоємець Оннеса , новий директор лейденської лабораторії, відомий фізик Кеєзом вирішив повторити експеримент. Він виміряв критичний струм сплаву свинцю з вісмутом і знайшов, що струм цей занадто малий, щоб з цього сплаву був сенс робити дріт для обмотки магніту. 

На початку 60-х років нашого сторіччя виміри на сплавах свинцю з вісмутом були повторені. І тоді з'ясувалося, що Кеєзом помилився: він зробив те, чого не мав право робити ,- екстраполював дані, отримані їм у слабких магнітних полях, на область сильних магнітних полів. Критичний струм виявився цілком достатнім для того, щоб з цих сплавів усе-таки можна було виготовити нехай не дуже сильні, але досить економічні магніти. Широко розгорнулися слідом за цим пошуки нових надпровідників і привели до відкриття сплавів і з'єднань з високими критичними параметрами. Тепер можна було приступати до створення дроту, кабелів, шин із надпровідних матеріалів. Шлях до технічної надпровідності, до надпровідних магнітів, електротехнічним пристроям був відкритий.



2.2 Надпровідні генератори



Сучасні електрогенератори - великі спорудження, у яких утворюються великі магнітні поля, і з кожним роком їхня потужність зростає. Нажаль, можливості підвищення потужності електричних машин не безмежні. Якби обмотку збудження електричної машини (по суті справи, електромагніт особливої форми) вдалося зробити з надпровідника, це відразу б вирішило ряд проблем. По-перше, зникло б нагрівання. По-друге , збільшились би у машині поля і струми, що привело б до різкого скорочення розмірів машини. Так, надпровідний генератор потужністю 1300 МВт мав би близько 10 м у довжину і масу 280 т. Довжина аналогічної машини звичайної конструкції більш 20 м , маса 700 т. Одна тільки маса ротора, наприклад, зменшилась би у 4...5 разів . Адже метал, з якого виготовлений великий ротор, що швидко обертається, працює в дуже напружених умовах, так що зниження маси і розмірів істотно підвищує механічну надійність конструкції. Можна вказати і на ряд визначених економічних переваг: коефіцієнт корисної дії надпровідних машин вищий , ніж у генераторів традиційної конструкції.

Переваги надпровідних машин стають особливо помітними при потужності генератора більш 1000 МВт. Надпровідники знімають з порядку денного проблему "ліміту потужності", даючи фантастичну можливість будівлі генераторів потужністю аж до 20 000 МВт. Роботи, зв'язані зі створенням могутніх і економічних генераторів, ведуться зараз широким фронтом. Перша експериментальна модель такого генератора була побудована ще в 1967 році. Вона мала потужність усього лише 600 Вт. А в 1982 році був випробуваний генератор потужністю вже 20 МВт. Результати цих експериментів дозволили приступити до будівлі надпровідного генератора потужністю 300 МВт. 



2.3 Кабелі для передачі інформації



З ростом споживаних потужностей усе гострішою стає проблема передачі енергії. Джерела енергії і її споживачів часто розділені величезними відстанями. Як краще передавати енергію?

Сьогодні електроенергія передається споживачам в основному за допомогою повітряних ліній передачі (ЛЕП). Для підвищення ефективності роботи таких ліній є єдиний шлях - подальший підйом напруги. Уже давно існують ЛЕП напругою 1 MB і вище, коефіцієнт корисної дії таких ліній близький до 95%.

Повітряні лінії найдешевші , але з ними зв'язані безліч проблем. У них б'ють блискавки, вони заважають будівництву, транспорту, радіозв'язку, псують ландшафт, шкодять фауні і людині. Можна, звичайно, передавати енергію по підземних кабелях, але і тут виникає чимало складностей. Приходиться прокладати кілька паралельних віток кабелю, охолоджувати струмонесучі жили кабелю газом, олією чи водою. Кабельна лінія передачі приблизно в 10...15 разів дорожче повітряної при однаковій провідній здатності. І в повітряній, і в кабельній лінії приблизно десята частина енергії губиться при нагріванні струмопровідних жил.

Звичайно ж, дуже заманливим для рішення цієї проблеми є явище надпровідності. Провідник без опору ідеально підходить саме для цієї мети. Перші кроки в цьому напрямку були зроблені ще в 60-х роках. Уже тоді американець Р. Мак-фи підрахував, що по надпровідному кабелю товщиною в руку можна пропускати всю пікову потужність, що виробляється електростанціями США.

Ідея створення надпровідних кабелів зміцнювалася в гострій науковій боротьбі. Необхідно було вирішити, чи буде застосування надпровідників економічно конкурентно здатним в якому-небудь інтервалі напруг. Виконаний ще радянськими інженерами техніко-економічний аналіз показав, що при великій потужності надпровідний кабель є в 2..3 рази дешевшим звичайного, а втрати енергії в ньому скорочені приблизно в 25 разів. Сам по собі надпровідний матеріал набагато дорожчий міді, однак струмонесуча жила виявляється дешевшою. Причина ясна: адже по проводу площею перетину 1 мм2 можна пропускати не 1...2 А, а 10 кА. 

Тут треба відзначити, що в кабелях змінного струму деяка частина енергії все-таки губиться. Справа в тому, що при протіканні змінного струму у надпровідному кабелі з'являється електричний опір. Обумовлено це явище впливом змінного електричного поля на неспарені електрони в надпровіднику. Протягом одного півперіоду струму їхня швидкість наростає від нуля до максимуму і знову падає до нуля, a потім струм змінює напрямок на протилежний, і усе повторюється знову.

Таким чином, струм що йде по надпровіднику витрачає свою енергію на коливальні рухи електронів. Виникаючий опір, хоча він і малий в порівнянні з опором металу в нормальному стані, усе-таки приводить до виділення тепла, і кабель треба охолоджувати.

Основні труднощі, що виникають при прокладанні надпровідного кабелю - тепловий захист надпровідника. Охоронити кабель від великого припливу тепла ззовні можна за допомогою вакуумної ізоляції. Кабель має вид багатошарової труби і, по суті, являє собою кріостат. Поперечний переріз такого кабелю схематично показано на рисунку 14.

Вакуумна ізоляція





Рис .14



 Внутрішня труба діаметром близько 70 мм, покрита шаром надпровідного матеріалу товщиною близько 0,3 мм, заповнена рідким гелієм, який женуть по ній насоси. В якості надпровідника може бути використаний, наприклад, сплав ніобію, титана і цирконію. Між першою і другою трубами вакуумна ізоляція, між другою і третьою протікає рідкий азот, між третьою і четвертою (зовнішньою) знову вакуумна ізоляція.

Незважаючи на простоту конструкції, монтаж такої лінії пов’язаний із значними труднощами.

Треба забезпечити герметичність кабелю, навчитися збирати його з окремих коротких відрізків, розробити рефрижератори, компенсатори деформацій і інше устаткування. "Холодні" лінії повинні витримувати перевантаження й аварійні режими, тому важливо удосконалювати і стабілізацію ліній.



2.4 Трансформатор постійного струму



Ще одна немислима конструкція на надпровідниках - трансформатор постійного струму. Трансформатор - один з найпоширеніших виробів електротехнічної промисловості. Вони настільки прості по своїй конструкції, що поліпшити їх неймовірно важко. Сьогоднішній прогрес у трансформаторобудуванні зв'язаний з удосконаленням технології їхнього виготовлення. Промисловість пропонує тисячі типів трансформаторів - різні по потужності, по вазі, по кількості обмоток... Немає тільки трансформатора постійного струму. Одержати постійний струм у вторинній обмотці ненадпровідного трансформатора дійсно неможливо. У звичайних умовах не можна передати енергію від однієї обмотки до іншої за допомогою постійного струму, тому що струм у первинній обмотці, а отже, і магнітний потік у магнітопроводі не міняються по величині і напрямку. Тільки при включенні, коли струм у первинному ланцюзі наростає, тобто під час перехідного процесу, у вторинній обмотці виникає імпульс струму, але він швидко загасає через електричний опір вторинної обмотки. Якщо зробити обмотки трансформатора надпровідними, первинну обмотку з'єднати через вимикач із джерелом струму поза кріостатом, а вторинну замкнути на надпровідний ланцюг, то описаний перехідний процес піде інакше. При подачі струму в первинну обмотку у вторинній обмотці індукується електрорушійна сила , що викликає струм, який не загасає навіть тоді, коли вже немає електрорушійної сили , оскільки опір надпровідника дорівнює нулю. За допомогою таких трансформаторів постійного струму можна подавати в кріостат з рідким гелієм невеликий струм по тонких провідниках , трансформувати цей струм , доводячи його силу до десятків тисяч ампер. І ці величезні струми будуть циркулювати по надпровідній обмотці, у той час як з області , що має кімнатну температуру, трансформатору буде подаватися струм усього лише кілька ампер.



2.5 Магнітні підвіси і підшипники



Надпровідна сфера (Рис. 15) висить над кільцем, у якому циркулює незатухаючий струм. Відбувається це , як ми вже знаємо, завдяки діамагнетизму надпровідників. Сила ваги сфери врівноважується "магнітною подушкою", що створюється надпровідним струмом. 





Рис .15



Висіти таким чином, як з'ясувалося, можуть досить важкі предмети.

Ефект механічного відштовхування використовується для створення магнітного підвісу. Найбільш простий варіант такого пристрою схематично зображений на рисунку 16.

Надпровідний диск опускається на надпровідну котушку , у якій тече незатухаючий струм. На цьому принципі можна створити різні пристрої, що дозволяють забезпечити стійку підвіску в одному, двох чи трьох напрямках. На рисунку 16,а зображений підшипник, стійкий в одному напрямку, а на рисунку 16,б показано застосування цього принципу підвіски підшипника на всі три напрямки в просторі.

 Подібні магнітні підвіси можуть працювати у всіляких пристроях. Особливо вони зручні в тих випадках, коли тіло, підвішене в магнітному полі, повинне обертатися з великим числом обертів. 







а) 				б)

Рис .16



2.6 Надпровідні перемикачі й елементи пам’яті



Ідея про використання надпровідників в ЕОМ виникла давно. Ще в середині 50-х років було запропоновано надпровідний пристрій – кріотрон, у якому реалізуються два стани і який може переключатися з одного стану в інший . Кріотрон - пристрій нескладний . У своїй первісній і найпростішій формі він являв собою танталовий дріт - вентиль, навколо якого були намотані витки з ніобію (Рис .17). І тантал, і ніобій - надпровідники, але критична температура танталу 4,4 К , а ніобію - 9,2 К. Тому в гелієвій ванні при температурі 4,2 К вентиль (і тим більше обмотка) знаходиться у надпровідному стані і не робить опору струму. При подачі в обмотку струму достатньої величини на поверхні вентиля з'являється магнітне поле , що перевищує критичне, і танталовий дріт переходить у нормальний стан з кінцевим опором. Керуюча обмотка, що має більш високу критичну температуру, залишається при цьому у надпровідному стані.

Такий пристрій діє як реле, замкнуте у надпровідному і розімкнуте в нормальному стані. Так можна записувати 0 чи 1, тобто створювати найпростіший елемент пам'яті. З декількох кріотронів, з'єднуючи їх у схему, можна створити пристрій, що розмикає одні і замикає інші канали для проходження струму, тобто створювати логічні й інші елементи ЕОМ. 





Рис .17 Рис .18



Сказане можна проілюструвати простим прикладом. Нехай струм розподіляється по двох рівнобіжних ланцюгах, що містять кріотрони (Рис. 18). Якщо обидва розгалуження є надпровідними, то струм буде розгалужуватися по них відповідно до їхніх індуктивностей. Якщо тепер кріотрон К1 на короткий час перевести в нормальний стан, то загальний струм піде по правому ланцюзі. Такий розподіл струму буде стабільним доти , поки , скажемо, кріотрон К2 не буде переведений у нормальний стан керуючим імпульсом, поданим на його котушку. Такий імпульс перекидає струм у лівий ланцюг.

За допомогою кріотронів К3 і К4 можна визначати, у якому ланцюзі тече надпровідний струм, тобто робити операцію зчитування. Кріотрон , керований струмом , що протікає по даному розгалуженню , знаходиться в нормальному стані і при подачі на нього імпульсу зчитування дасть сигнал у виді напруги. Кріотрон в іншому ланцюзі залишається у надпровідному стані. Дротовий кріотрон є простий по конструкції. Поряд з цим він відрізнявся малою розсіюючою тепловою потужністю при переході в нормальний стан. І все-таки для кріоЕОМ дротові кріотрони виявилися непридатними - вони працювали занадто повільно. У змаганні із швидкодіючими напівпровідниковими елементами дротовий кріотрон програє. І не тому, що "повільна" сама надпровідність: перехід дротини з одного стану в другий відбувається дуже швидко. Швидкодія кріотронного перемикача визначається його сталою часу τ = L/R, де L - індуктивність керуючої обмотки, a R - опір вентиля в нормальному стані. У дротових кріотронів τ = 10-3...10-4 с - це явно недостатньо для їхнього застосування в сучасних машинах. Щоб зменшити постійну часу τ, необхідно гранично збільшити опір R і зменшити індуктивність.

Цю задачу можна вирішити, якщо замість дротин у кріотроні використовувати тонкі плівки, отримані напилюванням у вакуумі. Такий плівковий кріотрон показаний на рисунку 19.





Рис .19



Вентиль тут виконаний у виді тонкої плівки олова, нанесеної на підкладку, а керуючим елементом служить свинцева плівка, що може розташовуватися або перпендикулярно вентилю (поперечний кріотрон, рис. 19,а), або паралельно (подовжній кріотрон, рис. 19,б). Зміною струму через керуючу плівку можна переводити вентиль із надпровідного стану у нормальний і навпаки , тобто включати і виключати ланцюг. Обидві плівки відділені одна від одної тонким шаром ізолятора (звичайно це окис кремнію) . Вони мають товщину порядку 10-7 – 10-9 м, а тому малу індуктивність і високий опір.



2.7 Надпровідні об’ємні резонатори



Об'ємні резонатори знаходять застосування в мікрохвильовій техніці як елементи настройки і фільтри. Смуга частот і добротність об'ємних резонаторів визначається величиною їхнього поверхневого опору. З цієї причини поряд з гарними провідниками (такими, як Сu, Ag і Аl) як матеріали для конструювання об'ємних резонаторів особливо високої якості використовуються також надпровідники . Для цих цілей немає необхідності використовувати тверді надпровідники, тому велика частина досліджень проводилася з оловом. Поверхневий опір надпровідника при гелієвих температурах в області дуже високих частот відмінний від нуля і винятково сильно залежить від стану поверхні провідника.



2.8 Надпровідні екрани для магнітних полів



Як відомо, магнітні поля не проникають у надпровідники, і це дає ідеальну можливість використовувати їх як екрани для магнітних полів. Як уже згадувалося, сильне магнітне поле можна екранувати тільки за допомогою твердих надпровідників; при цьому не вимагаються високі значення критичного струму (чи, відповідно, густини струму). У більшості випадків досить листа заліза, покритого тонким шаром твердого надпровідника. Такі екрани можуть знайти цікаві застосування також в електронній оптиці й електронній мікроскопії: краща екранізація дозволяє здійснити більш точне коректування ходу променів.


ВИСНОВКИ



У багатьох металів і сплавів при температурах, близьких до абсолютного нуля, спостерігається різке зменшення питомого опору. Це явище одержало назву надпровідності, а температуру Тк , при якій відбувається перехід у надпровідний стан, називають критичною температурою переходу.

Якщо в кільці з надпровідника індукувати електричний струм (наприклад, за допомогою магнітного поля), то він не буде згасати протягом тривалого часу. По швидкості зменшення магнітного поля наведеного в кільці струму була зроблена оцінка питомого опору матеріалів у надпровідному стані . Його значення склало близько 10-25 Ом·м, що в 1017 разів менше опору міді при кімнатній температурі.

Явище надпровідності можна зрозуміти й обґрунтувати тільки за допомогою квантових представлень. Майже піввіку з моменту відкриття сутність цього явища залишалася нерозгаданою через те, що методи квантової механіки ще не повною мірою використовувалися у фізиці твердого тіла. Мікроскопічна теорія надпровідності, що пояснює всі експериментальні дані, була запропонована в 1957 р. американськими вченими Бардіним, Купером і Шріффером . 

Найважливіша особливість надпровідників полягає в тому, що зовнішнє магнітне поле повністю не проникає в товщину зразка, затухаючи в найтоншому шарі. Силові лінії магнітного поля обгинають надпровідник. Це явище одержало назву ефекту Мейснера . 

Одне з головних застосувань надпровідників зв'язано з одержанням дуже сильних магнітних полів. Надпровідні соленоїди дозволяють одержувати однорідні магнітні поля напруженістю понад 107 А/м у досить великій області простору, у той час як межею звичайних електромагнітів із залізними сердечниками є напруженості порядку 106 А/м. При цьому , у надпровідних магнітних системах циркулює незатухаючий струм, тому не потрібно зовнішнього джерело живлення. Надпровідні соленоїди дозволяють значною мірою зменшити габарити і споживання енергії в синхрофазотронах і інших прискорювачах елементарних частинок. Перспективне використання надпровідних магнітних систем для утримання плазми в реакторах керованого термоядерного синтезу, у магнітогідродинамічних перетворювачах теплової енергії в електричну, як індуктивні нагромаджувачі енергії для покриття пікових потужностей у масштабах великих енергосистем. Широкий розвиток одержують розробки електричних машин із надпровідними обмотками збудження. Застосування надпровідників дозволяє виключити з машин сердечники з електротехнічної сталі, завдяки чому зменшуються в 5-7 разів їхня маса і габаритні розміри при збереженні потужності. Економічно обґрунтоване створення надпровідних трансформаторів, розрахованих на високий рівень потужності (десятки-сотні мегават). Розроблено досвідчені зразки імпульсних надпровідних котушок для живлення плазмових гармат і систем накачування твердотільних лазерів. У радіотехніці використовують надпровідні об'ємні резонатори, що володіють, завдяки мізерно малому електричному опору, дуже високою добротністю. Принцип механічного виштовхування надпровідників з магнітного поля покладений в основу створення надшвидкісного залізничного транспорту на "магнітній подушці". Широкі перспективи застосування надпровідників відкриває вимірювальна техніка. Доповнюючи можливості наявних вимірювальних засобів, надпровідні елементи дозволяють реєструвати дуже тонкі фізичні ефекти, вимірювати з високою точністю й обробляти велику кількість інформації. Можна назвати ще дуже багато приладів де використовується явище надпровідності. Але найцікавішим є те , що коло цих приладів безупинно розширюється.


ЛІТЕРАТУРА



1. Мнеян М.Г.Сверхпроводники в современном мире .– М.: Просвещение, 1991 . –159 с. 

2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1980. – 406 с.

3. Буль Б .К. , Тареева Б.М. Сверхпроводимость и её применение в электротехнике. – М. –Л.: Энергия, 1964. – 216 с.

4. И.М. Дмитренко. В мире сверхпроводимости. – К.: Наукова Думка, 1981. 

5. М. Уилсон. Сверхпроводящие магниты. – М.: Мир, 1985. – 405 с.

6. П. Де Жен. Сверхпроводимость металлов и сплавов. – М.: Мир, 1968. – 280 с.

7. Дж. Шриффер. Теория сверхпроводимости. –М.: Наука, 1970. - 312 с.