Сверхпроводники тепловое действие тока

Сверхпроводники тепловое действие тока

• ГЛАВНАЯ
• О САЙТЕ
• КОНТАКТЫ
• ПРАВИЛА

Реферат на тему:
Тепловое действие тока
Сверхпроводимость
Источники постоянного тока

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока увеличивается скорость колебаний ионов и атомов и внутренняя энергия проводника увеличивается. Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока. Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле:
А = U•I•t.
Обозначим количество теплоты буквой Q. Согласно сказанному выше Q = A, или Q = U•I•t. Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Зная, что U = IR, получим: Q = I•R•I•t, т. е. Q=I •R•tКоличество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский ученый Джоуль и русский ученый Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля — Ленца.
Рассмотрим устройство лампы накаливания. Нагреваемым элементом в ней является свернутая в спираль тонкая вольфрамовая нить 1. Вольфрам для изготовления нити выбран потому, что он тугоплавок и имеет достаточно большое удельное сопротивление. Спираль с помощью специальных держателей 2 укрепляется внутри стеклянного баллона, наполненного инертным газом, в присутствии которого вольфрам не окисляется. Баллон крепится к цоколю 3, к которому припаян один конец токоведущего провода в точке 4. Второй конец провода через изолирующую прокладку 5 припаян к нижнему контакту. Лампа ввертывается в патрон. Он представляет собой пластмассовый корпус А, в котором имеется металлическая гильза Б с резьбой; к ней присоединен один из проводов сети. Патрон контактирует с цоколем 3. Второй провод от сети присоединен к контакту В, который касается нижнего контакта лампы. Лампы накаливания удобны, просты и надежны, но экономически они невыгодны. Так, например, в лампе мощностью 100 Вт лишь небольшая часть электроэнергии (4 Вт) преобразуется в энергию видимого света, а остальная энергия преобразуется в невидимое инфракрасное излучение и в форме тепла передается окружающей среде.
Для оценки эффективности того или иного устройства в технике введена специальная величина — коэффициент полезного действия (КПД). Коэффициентом полезного действия называют отношение энергии, полезно преобразованной (работы или мощности), ко всей потребленной энергии, или затраченной (работе или мощности):
Часто КПД выражают в процентах (%). Вычислим КПД электрической лампы накаливания по данным, приведенным выше: h=4/100=0.04=4%;
Для сравнения укажем, что КПД лампы дневного света примерно 15%, а у натриевых ламп наружного освещения около 25%.
Существует большое число электрических нагревательных приборов, например электрические плиты, утюги, самовары, кипятильники, обогреватели, электрические одеяла, фены для сушки волос, в которых используется тепловое действие тока. Основным нагревательным элементом является спираль из материала с большим удельным сопротивлением. Она помещается в керамические изоляторы с хорошей теплопроводностью, которые изготовлены в виде своеобразных бус. В приборах, предназначенных для нагревания жидкостей, изолированная спираль помещается в трубки из нержавеющей стали. Ее выводы тоже тщательно изолируются от металлических частей приборов. Температура спирали при работе нагревательного прибора остается постоянной. Объясняется это тем, что очень быстро устанавливается баланс между потребляемой из сети электроэнергией и количеством теплоты, отдаваемым путём теплообмена окружающей среде.
Очень эффективным преобразователем электрической энергии, дающим много тепла и света, является электрическая дуга. Ее широко используют для электрической сварки металлов, а также в качестве мощного источника света. Для наблюдения электрической дуги надо два угольных стержня с присоединенными к ним проводами закрепить в хорошо изолирующих держателях, а затем подключить стержни к источнику тока, дающему невысокое напряжение (от 20 до 36 В) и рассчитанному на большие силы тока (до 20 А). Последовательно стержням обязательно надо включить реостат. Ни в коем случае нельзя подключать угли в городскую сеть (220 или 127 В), так как это приведет к сгоранию проводов и к пожару. Коснувшись углями друг друга, можно заметить, что в месте соприкосновения они сильно раскалились. Если в этот момент угли раздвинуть, между ними возникает яркое слепящее пламя, имеющее форму дуги. Это пламя вредно для зрения. Пламя электрической дуги имеет высокую температуру, при которой плавятся самые тугоплавкие материалы, поэтому электрическая дуга используется в дуговых электрических печах для плавки металлов. Пламя дуги является очень ярким источником света, поэтому его часто используют в прожекторах, стационарных кинопроекторах и т. д.
Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если по той или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция — воспламениться. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например электрических плиток, или короткое замыкание. Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под током (рис. 86) или при случайном соприкосновении оголенных проводов. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители. Назначение предохранителей — сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы.
Рассмотрим устройство предохранителей, применяемых в квартирной проводке. Главная часть предохранителя, изображенного на рисунке проволока С из легкоплавкого металла (например, из свинца), проходящая внутри фарфоровой пробки П. Пробка имеет винтовую нарезку Р и центральный контакт К. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки Свинцовая проволока представляет, таким образом часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определенную силу тока, например 5, 10 А и т.д. Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой. Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.
Сверхпроводимость
Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающимся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.
Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

Источники постоянного тока
Простейшим источником постоянного тока является химический источник (гальванический элемент или аккумулятор), поскольку полярность такого источника не может самопроизвольно измениться.
Для получения постоянного тока используют также электрические машины — генераторы постоянного тока.
В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения постоянного тока используют выпрямитель. Далее для уменьшения пульсаций может быть использовансглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор тока или стабилизатор напряжения.Сочинения курсовыеСочинения курсовые

Сверхпроводники тепловое действие тока

J _пов = Н_к/ l

Отметим также, что у сверхпроводников первого рода в состоянии сверхпроводимости изменяется скачком удельная теплоемкость и исчезают некоторые термоэлектрические эффекты (Джоуля, Томсона и Пельтье).

Сверхпроводники первого рода существуют как на постоянном токе, так и на переменном до частот около 10 МГц.

До 1957 года считалось, что описанные выше характеристики и свойства относятся ко всем сверхпроводникам и некоторые отклонения от этих свойств, обнаруженные экспериментально, объяснялись влиянием примесей, деформациями и другими факторами, но при этом подразумевалось, что эти отклонения не затрагивают фундаментальных свойств сверхпроводимости.

В 1957 году А. А. Абрикосовым теоретически было показано, что возможно существование класса сверхпроводников, имеющих принципиально другие свойства. Позже такие сверхпроводники были названы сверхпроводниками второго рода.

Все фундаментальные свойства сверхпроводников первого рода связаны с тем, что их свободная энергия в сверхпроводящем состоянии меньше свободной энергии в нормальной фазе. Поэтому для сверхпроводников первого рода сверхпроводящая фаза более выгодна с энергетической точки зрения и она занимает весь объем сверхпроводника. В этом случае с энергетической точки зрения выгодно, чтобы граница раздела между сверхпроводящей и нормальной фазами обладала минимальной энергией. Если в этом случае T , B , I меньше соответственно T _кр , B _кр , I _кр , то сверхпроводник по всему сечению находится в сверхпроводящем состоянии и магнитное поле выталкивается из него, так как проникновение поля связано с образованием нормальных областей и увеличением свободной энергии сверхпроводника.

Абрикосовым было доказано, что возможно существование класса сверхпроводников, энергия границы раздела сверхпроводящей и нормальной фаз которых отрицательна. У таких сверхпроводников в случае, если изменение энергии, связанное с образованием нормальной фазы, меньше изменения, связанного с увеличением границы раздела фаз, энергетически выгодно образование структуры, в которой сечение разбито на чередующиеся области сверхпроводящей и нормальной фаз с максимальной суммарной границей раздела. Как показал эксперимент, периодичность такой структуры составляет примерно 10 -5 см. Сверхпроводники, обладающие такой структурой, называются сверхпроводниками второго рода. Сверхпроводники второго рода — это вещества, в которых эффект Мейсснера проявляется частично (поля больше, чем 10 7 – 10 8 А/м).

К идеальным сверхпроводникам второго рода относятся такие металлы как ниобий, ванадий и технеций, а также сплавы и соединения с размером неоднородностей не больше атомного ядра. В свою очередь неидеальные сверхпроводники второго рода – это материалы (сплавы и соединения), имеющие в структуре дефекты или неоднородности, превышающие атомный размер.

В отличии от сверхпроводников первого рода, которые имеют фиксированное значение _Нк, сверхпроводники второго рода характеризуются диапазоном значений H_{k 1} H_{k 2} (рис. 10.15).

Рис.10.15. Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для сверхпроводников второго рода

Из рисунка видно, что до значения Н_к1 (первое критическое магнитное поле) материал ведет себя как сверхпроводник первого рода, затем в диапазоне Н_к1 – Н_к2 находится в смешанном состоянии, при этом сверхпроводящие и нормальные области чередуются. Находясь в этом состоянии сверхпроводник сохраняет высокую проводимость, но при этом магнитное поле частично проникает в него. При напряженности магнитного поля выше Нк₂ (второе критическое поле) образец переходит полностью в нормальное состояние.

При прохождении переменного тока через сверхпроводник второго рода наблюдается рассеивание энергии, в связи с чем значения I _к на переменном токе в 2 – 10 раз меньше, чем на постоянном. Но значения Т_к и В_к(Н_к) значительно выше у сверхпроводников второго рода, чем у сверхпроводников первого рода. Это свойство сверхпроводников второго рода позволило широко использовать их в электротехнике.

Смешанное состояние этих материалов допускает прохождение тока по всему объему сверхпроводника, в связи с этим плотность тока может достигать значений примерно 10 6 A /см 2 . С помощью введения химических и физических дефектов в структуру сверхпроводника (неидеальные сверхпроводники второго рода) можно существенно повысить критический ток.

Теория сверхпроводников второго рода была описана в работах В. Л. Гинзбурга, Л. Д. Ландау, А. А. Абрикосова, Л. П. Горькова (теория ГЛАГ). Согласно это теории при достижении напряженностью магнитного поля значения Н_к1 в сверхпроводниковом образце образуются нормальные области в виде сложной нитевидной структуры «вихревая нить» (рисунок 10.16). Вихревая нить представляет собой цилиндр, погруженный в сверхпроводник, ось которого совпадает с направлением поля.

Рис. 10.16. Смешанное состояние в сверхпроводнике

Внутри таких нитей магнитная индукция достигает максимального значения в центре и уменьшатся до нуля к поверхности. Подобное распределение магнитного поля обеспечивается круговыми токами, протекающими вокруг нитей. При увеличении внешнего магнитного поля число вихревых нитей возрастает, а расстояние между ними уменьшается. До тех пор, пока это расстояние достаточно велико, эффект сверхпроводимости будет сохраняться, но как только расстояние между нитями станет соизмеримым с размером куперовской пары, практически весь объем перейдет в нормальное состояние, при этом магнитное поле полностью проникнет в образец и сравняется с внешним (Н_к2).

Особенностью, отличающей сверхпроводники второго рода, является значительное ограничение тока в поперечном магнитном поле, что объясняется взаимодействием между вихревыми нитями, оси которых совпадают с направлением магнитного поля, и токами в проводнике. Это взаимодействие характеризуется лоренцовой силой, направление которой перпендикулярно к току и магнитному полю. Эта сила называется «дрейф вихревых нитей», который сопровождается выделением энергии, вызывающей появление напряжения, которое именуется “напряжение течения потока”.

В неидеальных сверхпроводниках второго рода дефекты структуры сверхпроводника служат узлами закрепления «вихрей», так называемые центры пининга, что приводит к значительному повышению критических токов. Такие жесткие сверхпроводники второго рода имеют очень большое значение поля Н_к2 и часто называются сверхпроводниками третьего рода. Существенным недостатком жестких сверхпроводников является их хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволок и лент.

Отметим, что критическая плотность тока может очень сильно (на несколько порядков) меняться в результате термомеханической обработки. При этом критическая температура Т_к и второе критическое поле Н_к2 могут практически не измениться. С помощью металлургической обработки можно добиться существенного увеличения критического тока. Например, проволоку из сплава Nb — Ti , используемую во многих сверхпроводящих устройствах, закаленную при 800 0 С подвергают кратковременному (порядка 30 минут) отжигу при температуре около 400 0 С. При этом сверхпроводящая матрица распадается с выделением микроскопических включений несверхпроводящей a — фазы. В результате критический ток возрастает на несколько порядков.

Следует отметить, что в таких материалах может наблюдаться явление скачка магнитного потока, связанного со срывом или перебросом «вихрей» между узлами закрепления под действием внешнего магнитного поля. Это явление связано с выделением энергии, которое может вызвать переход образца в нормальное состояние.

Рассматривая сверхпроводники второго рода, стоит отметить, что в них наблюдаются потери энергии при пропускании переменного тока или при наличии внешнего переменного магнитного поля. Так при частотах до 100 кГц потери носят гистерезисный характер.

Из рисунка 10.17 видно, что если увеличивать напряженность магнитного поля выше критической, а затем уменьшить поле до нуля, то в образце сохраняется остаточная намагниченность. Циклические изменения поля приводят к петле гистерезиса на кривых намагничивания. Мощность тепловыделения в сверхпроводниках второго рода прямо пропорциональна частоте переменного тока, потери зависят от амплитуды изменения поля и не зависят от формы кривой тока. Стоит отметить, что потери на переменном токе не пропорциональны квадрату действующего значения тока и поэтому не могут быть представлены в виде некоторого эффективного активного сопротивления.

Рис 10.17. Кривые намагничивания сверхпроводника

Сверхпроводники тепловое действие тока

Курс лекций состоит из двух примерно равных по продолжительности частей. Первая часть начинается с изложения основных качественных представлений о сверхпроводимости, затем излагается феноменологическая теория сверхпроводимости Гинзбурга и Ландау. Изложение в этой части предполагается вполне доступным студентам 4 курса ФОПФ МФТИ, как теоретикам, так и экспериментаторам, специализирующимся по физике твердого тела. Во второй части курса излагаются основы микроскопической теории сверхпроводимости. Предполагается хорошее знание курса квантовой механики Ландау и Лифшица. Основное содержание этой части (кроме пары последних лекций, использующих диаграммные методы) рассчитано на теоретиков и на экспериментаторов, занимающихся сверхпроводимостью.

 Часть I. Феноменологическая теория

1. Основные факты и понятия о сверхпроводимости [Материалы к лекции] [Задание: tex, pdf]
   • Различные типы сверхпроводников.
   • Сверхпроводники I и II рода, промежуточное и смешанное состояние, поверхностное натяжение границы раздела S-N.
   • Термодинамика сверхпроводников I рода в магнитном поле.
   • Уравнение Лондонов и глубина проникновения магнитного поля.
   • Нелокальная экранировка, предел Пиппарда.
   • Кинетическая индуктивность и поверхностный импеданс.
2. Теория Гинзбурга-Ландау [Задание: tex, ps, pdf]
   • Свободная энергия и уравнения Гинзбурга-Ландау. Ток и градиентная инвариантность.
   • Квантование магнитного потока.
   • Глубина проникновения и длина когерентности. Эффект близости. Энергия границы раздела S-N и два рода сверхпроводников.
   • Критическое поле и критический ток тонкой пленки.
3. Сверхпроводимость II рода: основы [Задание: tex, pdf]
   • Решение уравнений ГЛ для одиночного вихря и нижнее критическое поле.
   • Решение Абрикосова для решетки вихрей и верхнее критическое поле.
   • Взаимодействие вихрей (в лондоновском приближении).
   • Вихрь в тонкой пленке.
4. Сверхпроводимость II рода: флуктуационные эффекты [Задание: tex, ps, pdf]
   • Флуктуации вблизи температуры перехода (оценка ширины флуктуационной области, диамагнетизм, парапроводимость).
   • Переход Березинского-Костерлица-Таулеса в тонкой пленке.
5. Сверхпроводимость II рода: резистивное состояние и пиннинг вихрей [Задание: tex, pdf]
   • Резистивное состояние.
   • Критический ток при зацеплении вихрей на линейных дефектах.
   • Взаимодействие вихрей с точечными дефектами.
6. Сверхпроводимость II рода: плавление и пиннинг решетки вихрей [Задание: tex, pdf]
   • Вихрь в потенциале точечных дефектов. Скейлинговые соотношения.
   • Решетка вихрей: упругие модули.
   • Плавление решетки вихрей тепловыми флуктуациями.
   • Разрушение дальнего порядка решетки примесями и критический ток.
   • Крип магнитного потока и нелинейная проводимость в ВТСП.
7. Слабая сверхпроводимость: феноменология [Задание: tex, pdf]
   • Стационарный эффект Джозефсона. Виды слабых контактов.
   • Нестационарный эффект Джозефсона. Резистивные характеристики.
   • Критический ток и «ток возврата».
   • Туннельный контакт в магнитном поле. Джозефсоновские вихри.
   • СКВИДы.
8. Флуктуационные эффекты в слабых контактах [Задание: tex, pdf]
   • Тепловые флуктуации в джозефсоновском переходе, проскальзывание фазы и I(V,T).
   • Макроскопические квантовые эффекты: «туннелирование фазы» и переход в резистивное состояние.
   • Макроскопическая квантовая когерентность в СКВИДах.
     Часть II. Микроскопическая теория
     1. Механизм притяжения и куперовская неустойчивость [Задание: tex, pdf]
        • Притяжение между электронами за счет обмена виртуальными фононами.
        • Куперовская неустойчивость в вершинной части.
        • Роль кулоновского отталкивания.
        • Спиновая структура волновой функции пары при синглетном и триплетном спаривании.
     2. Функции Горькова и функционал Гинзбурга-Ландау: вывод методом функционального интеграла [Задание: tex, pdf]
        • Статистическая сумма в виде интеграла по грассмановым переменным.
        • Функциональный интеграл для ферми-газа с притяжением в произвольном канале. Эффективное действие и функции Горькова.
        • Разложение по степеням Δ: локальные члены.
        • Градиентный член и длина корреляции.
     3. Эффекты температуры и магнитного поля [Задание: tex, pdf]
        • Уравнение самосогласования для Δ и его решение при низких температурах; Δ(T) при нетривиальном спаривании.
        • Теплоемкость и спиновая восприимчивость сверхпроводника.
        • Парамагнитный предел для синглетного сверхпроводника.
        • Диамагнитный отклик, глубина проникновения поля и ее температурная зависимость.
     4. Теория Элиашберга [Литература к лекции]
        • Гамильтониан электрон-фононного взаимодействия и уравнения Дайсона.
        • Формальное решение для функций Грина, спектральное представление и усреднение по ферми-поверхности.
        • Интегральное уравнение для параметра порядка Δ(ω) и анализ его решения. Роль кулоновского взаимодействия.
        • Простое применение: изотопический эффект в сверхпроводимости.
     5. Неоднородные сверхпроводящие состояния [Задание: tex, pdf]
        • Уравнения Боголюбова — де Жена.
        • Андреевское отражение и андреевские уровни в S-N-S контакте.
        • Локализованные электронные уровни в центре абрикосовского вихря.
     6. Сверхпроводники с примесями [Задание: tex, pdf]
        • Потенциальные примеси и их влияние на обычное s-спаривание.
        • Зависимость критических магнитных полей от беспорядка.
        • Спин-орбитальное примесное рассеяние и парамагнитный предел.
        • Нарушение Т-инвариантности и распаривающий фактор. Подавление сверхпроводимости магнитным полем. Бесщелевая сверхпроводимость.
        • Разрушение «необычных» сверхпроводящих фаз потенциальными примесями.
     7. Микроскопическая теория слабых сверхпроводящих контактов [Задание: tex, pdf]
        • Энергия связи в S-I-S контакте и критический ток. Температурная зависимость тока, формула Амбегаокара-Баратова для симметричного S-I-S.
        • Андреевские уровни и сверхток в S-N-S контактах. Формула Бинаккера для короткого контакта. Анализ предельных случаев большой и малой прозрачности.
        • Тепловая длина когерентности, введение в метод квазиклассических функций Грина.
        • Контакт сверхпроводников через ферромагнетик (S-F-S) и инверсия фазы (π–контакт).

     Ученые объяснили нестыковки в теории «грязной» сверхповодимости

     Москва. 9 октября. INTERFAX.RU — Коллектив исследователей из нескольких международных институтов, в том числе Института теоретической физики имени Ландау, объяснил парадоксальное поведение при низких температурах «очень грязных» сверхпроводников – перспективных материалов, которые, в числе прочего, необходимы для конструирования квантового компьютера. Понимая, как такие вещества «обходят» предсказания привычной теории сверхпроводимости, ученые смогут создавать максимально изолированные кубиты – элементарные вычислительные единицы квантовых компьютеров. Работа исследователей опубликована в журнале Nature Physics, ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

     Электричество без потерь

     Сверхпроводниками называют материалы, в которых, при определенных условиях, полностью пропадает сопротивление. Это означает, что электрический ток может протекать по проводам из такого материала без потерь: в обычных проводах немалая часть энергии рассеивается в тепло как раз из-за сопротивления. Сверхпроводимость открыли в начале XX века, но первую феноменологическую теорию, объяснявшую многие ее свойства, Лев Ландау и Виталий Гинзбург разработали только в 1950-м. Спустя семь лет американцы Гарри Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали общую теорию сверхпроводимости (так называемая теория БКШ), которая немедленно удостоилась Нобелевской премии – настолько очевидна была колоссальная значимость явления.

     Сверхпроводники в магнитном поле

     В числе прочего, теория БКШ предсказывала, как должны вести себя сверхпроводники в магнитном поле. Когда поля небольшие, такие вещества «выталкивают» их из себя, оставаясь при этом сверхпроводящими – это фундаментальное свойство называется эффектом Мейснера. Но если продолжать увеличивать поле, в какой-то момент сверхпроводящие свойства резко пропадают. Значение, при котором магнитное поле «выключает» в материале сверхпроводимость, называют критическим магнитным полем, и оно зависит от температуры: чем холоднее, тем критическое поле больше. Другими словами, когда сверхпроводник нагрет до температур близких к критическому значению Tc (в зависимости от материала оно меняется от единиц до десятков градусов Кельвина), достаточно даже небольших магнитных полей, чтобы вывести его из сверхпроводящего состояния. Чтобы «убить» холодный сверхпроводник, требуются значительно бОльшие поля. Однако при очень сильном охлаждении (до 1/5 от Tc и ниже) эта закономерность исчезает, и критическое магнитное поле перестает зависеть от температуры. Теперь, чтобы вывести материал из сверхпроводящего состояния, требуется прикладывать магнитное поле одной и той же величины – неважно, останется ли сверхпроводник при этой температуре или еще охладится.

     «Эта классическая картина зависимости не выполняется для «очень грязных» сверхпроводников, – объясняет заведующий сектором квантовой мезоскопии ИТФ имени Ландау профессор Михаил Фейгельман. – Этим термином обозначают сверхпроводники, сделанные из сплавов металлов с сильно нарушенной кристаллической решеткой, практически аморфных. Критическое магнитное поле продолжает примерно линейно увеличиваться при понижении температуры до сколь угодно низких значений, которые можно достичь в эксперименте. Этот факт был известен давно, но никакого внятного объяснения у него не было».

     Нетипичность «очень грязных» сверхпроводников

     В новой экспериментально-теоретической работе ученые смогли понять, какова природа нетипичного поведения «очень грязных» сверхпроводников. Ключевым

     экспериментом, который позволил это понять, стало измерение еще одного важнейшего параметра сверхпроводников – критического тока. Это максимальное значение незатухающего тока, который может протекать в сверхпроводнике без потерь энергии на рассеяние в тепло. При бОльших токах вещество теряет сверхпроводящие свойства, то есть в нем появляется сопротивление и образец вещества начинает нагреваться. Авторы нового исследования измеряли, как критический ток в сверхпроводящей пленке из оксида индия зависит от магнитного поля. Ученые пропускали ток через пленку, находящуюся в магнитном поле, значение которого было чуть меньше критического, и наблюдали, при каком значении тока в образце разрушится сверхпроводящее поведение.

     В чем уникальность новой работы

     Подобные эксперименты проводились и раньше. Уникальность этой работы в том, что зависимость максимального сверхпроводящего тока от магнитного поля в «очень грязных» сверхпроводниках была измерена при магнитных полях, близких к критическим, и очень низких температурах. «И неожиданно оказалось, что критический ток очень простым образом зависит от того, насколько магнитное поле близко к критическому значению. Это степенная зависимость, степень равна 3/2», – говорит Фейгельман. Кроме того, ученые определили, как критическое поле в пленке оксида индия зависит от температуры.

     «Глядя на результаты этих двух экспериментов, мы смогли понять, как они взаимосвязаны, – рассказывает Фейгельман. – Стабильное повышение критического магнитного поля при низких температурах в «очень грязных» сверхпроводниках происходит из-за того, что в сверхпроводящем состоянии, которое реализуется в сильном магнитном поле, существуют тепловые флуктуации так называемых абрикосовских вихрей (квантовые вихри сверхтока, которые появляются в сверхпроводниках под воздействием внешнего магнитного поля, которое именно таким образом проникает в сверхпроводник). И мы нашли способ, как описать эти флуктуации». Предсказания созданной авторами работы теории хорошо описывают полученные экспериментальные данные.

     Модная тема

     «Очень грязные» сверхпроводники, они же сильно неупорядоченные сверхпроводники, – одна из самых «модных» тем в сверхпроводящей физике. Обычно, чем больше «беспорядка» в металле, тем хуже он проводит электрический ток. При понижении температуры неупорядоченные металлы немного «исправляются» – в том смысле, что их проводимость улучшается. «Очень грязные» сверхпроводники ведут себя иначе. В обычном состоянии они являются слабыми диэлектриками и при охлаждении проводят ток все хуже и хуже. Но по достижении некой критической температуры они скачкообразно превращаются в сверхпроводники. «Сверхпроводник и диэлектрик – противоположные по свойствам состояния, и именно поэтому удивительно, что в таких веществах они могут переходить одно в другое, – поясняет Фейгельман. – Но хотя «очень грязные» сверхпроводники изучают уже 25 лет, полноценной теории, которая бы объясняла все их «странности», до сих пор нет».

     В последние годы интерес к неупорядоченным сверхпроводникам дополнительно возрос, благодаря появлению новых областей, где такие вещества оказались очень востребованными. Например, «очень грязные» сверхпроводники идеально подходят для изоляции от всевозможных помех сверхпроводящих квантовых битов – элементарных вычислительных единиц квантового компьютера. Удобнее всего «отключить» их от внешнего мира при помощи элементов с очень высокой индуктивностью – электрической «инерцией». Она определяет, насколько силен будет магнитный поток, создаваемый протекающим в системе электрическим током. Индуктивность вещества тем больше, чем меньше в нем плотность проводящих элементов. А этот параметр уменьшается с ростом «грязи» в сверхпроводниках.

     Сверхпроводимость

     Прошло уже более 90 лет с тех пор, как нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес в 1911-м году открыл явление сверхпроводимости, за что и удостоился Нобелевской премии. И хотя в 1972-м году трём американцам – Джону Бардину, Леону Куперу и Роберту Шрифферу – была присуждена ещё одна Нобелевская премия – за теоретическое обоснование сверхпроводимости, – физическая природа этого явления, как ни удивительно, и сегодня ещё таит ряд загадок. Напомню, что речь идёт о способности некоторых веществ при охлаждении их ниже определённой температуры – так называемой критической температуры перехода – полностью терять электрическое сопротивление и проводить электрический ток без каких-либо потерь. На протяжении долгих десятилетий науке были известны лишь сверхпроводники с крайне низкими критическими температурами перехода, всего на несколько градусов превышающими абсолютный нуль. Даже у технеция, имеющего самую высокую среди чистых металлов критическую температуру перехода, она составляет лишь 11,2 градуса Кельвина. Между тем, получение и поддержание столь низких температур с использованием весьма капризного в эксплуатации жидкого гелия является делом не только сложным, но и, что ещё важнее, весьма дорогостоящим, а потому о практическом применении сверхпроводимости в технических устройствах долгое время не могло быть и речи. Однако в 1986-м году двум сотрудникам концерна «Ай-Би-Эм» – немцу Йоханнесу Георгу Беднорцу и швейцарцу Карлу Александру Мюллеру – удалось открыть новый класс соединений, способных переходить в сверхпроводящее состояние уже при значительно более высоких температурах. Синтезированная учёными керамика, состоящая из атомов кислорода, меди, бария и лантана и в обычных условиях вообще не проводящая электрический ток, обретала сверхпроводимость при температуре 30 градусов Кельвина. Открытие этого нового эффекта, названного высокотемпературной сверхпроводимостью, уже на следующий год также было удостоено Нобелевской премии. Немного погодя выяснилось, что результаты опытов искажены небольшой примесью свинца и что на самом деле критическая температура этого соединения даже гораздо выше – 58 градусов Кельвина. А ещё год спустя группа американских исследователей, заменив в составе всё той же керамики лантан на иттрий, получила и вовсе сногсшибательный результат – 92 градуса Кельвина, что значительно выше температуры кипения жидкого азота. И хотя физическая природа высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор неизвестна, исследователям из года в год удаётся получать всё новые и новые сверхпроводники с ещё более высокой критической температурой перехода. Абсолютный рекорд – 138 градусов Кельвина – принадлежит сегодня соединению, состоящему из атомов кислорода, ртути, таллия, бария, кальция и меди. Одна беда – все эти соединения представляют собой металлооксидные керамики, которые, во-первых, очень дороги, а во-вторых, обладают высокой хрупкостью, что делает их совершенно непригодными для широкомасштабного технического применения.

     Однако в начале прошлого года высокотемпературная сверхпроводимость случайно была открыта у соединения совсем иного класса. Юн Акимицу (Jun Akimitsu), профессор университета Аояма Гакуин в Токио, обнаружил, что давно известное химикам вещество – диборид магния (MgB2) – переходит в сверхпроводящее состояние при значительно более высокой температуре, чем все прочие соединения такого рода. Сообщение японского учёного вызвало подлинную сенсацию. Профессор Хельге Рознер (Helge Rosner) – физик-теоретик, сотрудник университета штата Калифорния в городе Дейвисе, – объясняет, почему:

     Рознер: Потому что это было совершенно неожиданное и непредвиденное открытие: диборид магния как химическое соединение известен с 50-х годов, широко используется в качестве реактива, но никто и предположить не мог, что он обладает сверхпроводимостью, да ещё при температуре около 40 градусов Кельвина.

     Казалось бы, 40 градусов Кельвина – что же тут сенсационного, если рекорд чуть ли не на 100 градусов выше? А вот что. Во-первых, критическая температура перехода у диборида магния всё же чуть ли не вдвое выше, чем у ближайшего конкурента среди двухэлементных интерметаллических соединений. От этого класса веществ учёные ничего подобного не ожидали. Во-вторых, оказалось, что сверхпроводимость диборида магния достаточно точно описывается теорией Бардина-Купера-Шриффера – той самой теорией, которая не смогла объяснить высокотемпературную сверхпроводимость металлооксидных керамик. Это тоже изрядно удивило учёных, поскольку они уже давно исходили из тезиса, что классическая сверхпроводимость в стабильных химических соединениях при температурах выше 25-ти градусов Кельвина просто невозможна. Так что теперь внимание исследователей всего мира приковано к дибориду магния. Профессор Рознер говорит:

     Рознер: Сегодня ведётся очень активная работа, направленная на то, чтобы сделать это соединение пригодным для широкого практического применения. Этот материал имеет малую удельную массу, дёшев и прост в производстве – чего никак не скажешь о металлооксидных керамиках – и обладает такими прочностными характеристиками, которые, надеюсь, позволят использовать его в целом ряде технических решений.

     Есть у диборида магния и ещё одна особенность, которая делает его изучение весьма перспективным. Поскольку это соединение состоит из атомов всего лишь двух видов, его кристаллическая решётка и электронная структура достаточно просты. Это существенно облегчает стоящую перед физиками-теоретиками задачу – прояснить механизм высокотемпературной сверхпроводимости, что, в свою очередь, поможет исследователям приступить к целенаправленному и осмысленному поиску новых сверхпроводящих материалов. До сих пор такой поиск вёлся вслепую, а открытия совершались, как правило, случайно. Теперь же учёные надеются получить возможность конструировать новые соединения, опираясь на результаты опытов с диборидом магния. Один из таких родственных материалов вызывает повышенный интерес у профессора Рознера и его коллег – Уоррена Пикетта (Warren Pickett) и Александра Китайгородского (Alexander Kitaigorodsky):

     Рознер: Этот родственный материал – борокарбид лития (LiBC). Его пространственная кристаллическая структура почти ничем не отличается от той, что свойственна дибориду магния. Там атомы бора расположены как бы в вершинах плоских шестиугольных ячеек, образующих своего рода слои, между которыми находятся атомы магния, причём на один атом магния приходится по два атома бора. В нашем соединении мы заменили атомы магния атомами лития, а каждый второй атом бора – атомом углерода.

     Собственно говоря, этот слоистый материал уже неплохо изучен. Он похож на диборид магния не только своей кристаллической структурой, но и характером химических связей, и поведением электронов. Вот только сверхпроводником он при этом не является. Однако компьютерное моделирование показало, что борокарбид лития может обрести нужные свойства, если его соответствующим образом модифицировать. Профессор Рознер поясняет:

     Рознер: Чтобы сделать это соединение сверхпроводящим, его необходимо допировать. В данном случае допирование – или, если хотите, дырочное легирование, – это просто удаление некоторого количества лития.

     Один из способов такой обработки состоит в том, что борокарбид лития помещают в вакуумную печь и нагревают до тех пор, пока нужное количество лития не испарится. При этом атомы лития уносят с собой электроны, оставляя в материале дырки – квазичастицы, ведущие себя как носители положительного заряда. Компьютерная модель показала, что без нарушения кристаллической структуры материала из него можно удалить до 70 процентов атомов лития.

     Рознер: По нашим прогнозам, у этого соединения критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние будет несколько выше 100 градусов Кельвина. Это означает, что мы сможем поддерживать сверхпроводимость борокарбида лития с помощью жидкого азота. Это открывает очень интересные перспективы в смысле технологического использования этого материала, поскольку применение в качестве хладагента жидкого азота во много раз дешевле, чем охлаждение жидким гелием, которое приходится применять в отношении обычных сверхпроводников.

     Иными словами, все те невероятные вещи, о которых конструкторы мечтают с тех самых пор, как было открыто явление сверхпроводимости, действительно могут стать реальностью. Например, огромной мощности электродвигатели и электрогенераторы с невиданно высоким коэффициентом полезного действия, линии электропередачи, доставляющие энергию на любые расстояния без потерь, высокоэффективный транспорт на воздушной подушке, высокоскоростные компьютеры и электронные компоненты или сверхчувствительное медицинское диагностическое оборудование. Возможность экономично поддерживать в проводнике нулевое электрическое сопротивление позволило бы даже создать уникальные энергохранилища, в которых единожды запущенный ток мог бы циркулировать годами и десятилетиями. Однако не утопия ли это всё? Профессор Рознер высказывается подчёркнуто осторожно:

     Рознер: В ходе экспериментов, проведённых в Институте физики твёрдого тела и материаловедения в Дрездене, было осуществлено такое дырочное легирование борокарбида лития. И теперь у нас есть серьёзные основания утверждать, что у части подвергшихся такой обработке образцов действительно имеет место резкое падение электрического сопротивления при низких температурах.

     Никаких более определённых прогнозов профессор Рознер делать пока не готов. Многие вопросы остаются ещё открытыми. Например, из каких именно узлов решётки должны быть удалены атомы лития для получения оптимального результата? И как этого добиться? Впрочем, профессор Рознер не скрывает, что верит в успех:

     Рознер: Я не только не пессимист, но скорее даже оптимист в том, что касается результатов этого исследования. И более того, я надеюсь – мы все надеемся, – что итоги работы можно будет подводить менее чем через год.

     А теперь от фундаментальных и пока довольно абстрактных исследований физиков-теоретиков перейдём к более насущным прикладным проблемам водопроводчиков-эксплуатационников. Впрочем, электрическое сопротивление играет и здесь немаловажную роль. Системы горячего водоснабжения и центрального отопления – вещь не только весьма удобная, но и разумная с экологической точки зрения: комбинированная выработка электроэнергии и теплоты на теплоэлектроцентралях позволяет довести суммарный коэффициент использования топлива до 70-ти процентов, а то и выше. Всё хорошо – до тех пор, пока в проложенном под землёй трубопроводе не образуется протечка. Тут нужно действовать без промедления, поскольку горячая вода в сочетании с содержащимися в почве минеральными солями вызывает быструю коррозию труб. Собственно, снять теплоизоляцию, заварить или заменить трубу и снова восстановить теплоизоляцию – само по себе не проблема. Гораздо сложнее определить место протечки. И это несмотря на то, что сегодня в теплоизоляцию труб принято интегрировать специальные контрольные электрокабели. Доктор Райнер Беккер (Rainer Becker), научный сотрудник Института неразрушающих методов испытаний имени Фраунгофера в Саарбрюккене, говорит:

     Беккер: До сих пор наличие протечки определялось путём стационарного измерения электрического сопротивления трубопровода. Если протечка имела место, вода вызывала короткое замыкание кабелей, и это сразу же регистрировалось диспетчером. Тогда на контрольный кабель подавался электрический импульс, который, дойдя до влажного участка, отражался и шёл обратно.

     Замерив время, необходимое импульсу, чтобы добраться до места протечки и вернуться, можно вычислить расстояние от генератора импульса до участка, требующего ремонта. Принцип тот же, что в эхолоте или радаре. Беда лишь в том, что схема подземных коммуникаций на чертежах имеет, как правило, мало общего с реальным прохождением трубопровода на местности. Прямолинейный участок вполне может оказаться весьма извилистым, а его реальная длина – не соответствующей расчётной. Райнер Беккер говорит:

     Беккер: Случается, например, что экскаватор, роющий траншею, натыкается на препятствие – скажем, скальную породу. Тогда трубопровод приходится тянуть в обход препятствия, и его общая длина увеличивается.

     Учёные Института в Саарбрюккене разработали новый метод, позволяющий с высокой точностью находить места протечки трубопроводов непосредственно на местности. Они предложили измерять магнитное поле электрического тока, текущего по контрольным кабелям трубопровода. Ремонтник, вооружённый соответствующим прибором, легко следует всем извивам и поворотам уложенных под землёй труб. Райнер Беккер поясняет:

     Беккер: Он держит в руке сенсор, которым поводит из стороны в сторону, а на груди у него висит небольшой измерительный прибор с дисплеем. Ремонтник выбирает направление, отвечающее максимальному значению напряжённости магнитного поля, и следует ему, пока не доходит до места, где поле вдруг пропадает. Здесь-то и находится протечка.

     Чтобы этот метод функционировал, специалисты Института в Саарбрюккене подают на контрольные кабели трубопровода переменный ток строго определённой частоты – 30 килогерц. Это позволяет надёжно исключить помехи от других источников электромагнитного излучения – будь то другие подземные коммуникации или магнитное поле Земли, – говорит Райнер Беккер:

     Беккер: Магнитное поле Земли – поле постоянное, и оно не оказывает никакого воздействия на сконструированный нами индукционный сенсор. То есть наш сенсор на геомагнитное поле просто не реагирует.

     Прибор настолько чувствителен, что позволяет с точностью до 2-х метров определять места даже нескольких следующих друг за другом протечек на одном и том же трубопроводе. Всё это, естественно, значительно удешевляет ремонтные работы. Правда, оценивать экономический эффект Райнер Беккер пока не берётся:

     Беккер: Это зависит от характера местности, в которой обнаружена протечка. Если земляные работы предстоит производить, скажем, на пустыре, это легко и не так уж дорого. Однако протечки, как назло, чаще случаются под проезжей частью улицы. Тут уж приходится вскрывать асфальтовое или даже бетонное покрытие.

     А это вполне может обойтись в 10 тысяч евро, если не больше. Поэтому эксплуатационники возлагают немалые надежды на аппарат, разработанный в Саарбрюккене. Он успешно прошёл испытания, так что вскоре должно начаться его серийное производство.

     Вот и всё на сегодня. В студии был Владимир Фрадкин, я прощаюсь с вами, до следующей встречи.

     голоса
     Рейтинг статьи