Презентация "СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ" (10 класс) по физике – проект, доклад

Государственное образовательное учреждение лицей №1557 Зеленоградского административного округа г. Москвы

Презентация на тему: СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Исполнитель: Бугакова Алевтина 10 «А» класс Преподаватель: Петунина Елена Александровна 2012

Великие физики, которые прославились, занимаясь теорией и практикой сверхпроводимости.

Камерлинг – Оннес - голландский физик

Пауль Друде Карл Людвиг — немецкий физик

Хендрик Антон Лоренц- голландский физик

Академик В.Л. Гинзбург, нобелевский лауреат за работы по сверхпроводимости

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость - свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Тк , характерной для данного материала. Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых полупроводников.

В 1911 году голландский физик Камерлинг - Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К резко падает до нуля.

Однако нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводимости. Ещё из теории Друде известно, что проводимость металлов увеличивается с понижением температуры, то есть электрическое сопротивление стремится к нулю.

Голландский физик Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах». В дальнейшем было выяснено, что более 25 химических элементов — металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. У каждого из них своя критическая температура перехода в состояние с нулевым сопротивлением. Самое низкое значение ее у вольфрама — 0,012 К, самое высокое у ниобия — 9 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Например, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb и другие. До 1986 г. были известны сверхпроводники, обладающие этим свойством при очень низких температурах — ниже –259 °С. В 1986-1987 годах были обнаружены материалы с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около –173 °С. Это явление получило название высокотемпературной сверхпроводимости, и для его наблюдения можно использовать вместо жидкого гелия жидкий азот.

Свойством сверхпроводимости обладают около половины металлов и несколько сотен сплавов. Сверхпроводящие свойства зависят от типа кристаллической структуры. Изменение её может перевести вещество из обычного в сверхпроводящее состояние. Критические температуры изотопов элементов, переходящих в сверхпроводящее состояние, связаны с массами изотопов соотношением: Тэ(Мэ)1/2= const (изотопический эффект) Сильное магнитное поле разрушает эффект сверхпроводимости. Следовательно, при помещении в магнитное поле свойство сверхпроводимости может исчезнуть.

Реакция сверхпроводников на примеси

Введение примеси в сверхпроводник уменьшает резкость перехода в сверхпроводящее состояние. В нормальных металлах ток исчезает примерно через 10-12 с. В сверхпроводнике ток, может циркулировать годами (теоретически 105 лет!).

Физическая природа сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Они были представлены в 1957 году американскими учеными Дж.Бардиным, Л.Купером, Дж.Шриффером и советским академиком Н.Н. Боголюбовым. В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость соединений лантана, бария и других элементов (Т= 1000К - это температура кипения жидкого азота).

Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый в 1933 году, т.е. полное вытеснение магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом.

Гроб Мухаммеда — опыт, демонстрирующий этот эффект в сверхпроводниках. По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки, поэтому этот опыт называют экспериментом с «магометовым гробом».

Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит всплывает сам и продолжает парить до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит обратной полярности точно такого же размера, что и вызывает левитацию.

Применение сверхпроводимости (СП-технологий) сегодня и завтра

Сегодня

Перспективы практического применения сверхпроводимости были очевидны давно, но первые сверхпроводники требовали низких температур и могли проводить лишь небольшие токи; при превышении критической плотности тока сверхпроводимость разрушалась. Реальные применения сверхпроводимости стали возможными только после существенного прогресса в науке и технике – к 1970-м годам. Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на относительно маломощную электронику (быстродействующие вычислительные устройства, детекторы магнитного поля и излучений, оборудование для связи в микроволновом диапазоне) и силовые применения (кабели, токоограничители, магниты, моторы, генераторы, накопители энергии).

В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Отсутствие электрического сопротивления позволяет использовать сверхпроводники для эффективной передачи электроэнергии. Замена медной обмотки в транформаторах на сверхпроводящие провода позволит уменьшить потери электроэнергии на 80-90% и снизить общую массу примерно в 2-3 раза. Исключение трансформаторного масла делает сверхпроводниковый трансформатор пожаробезопасным и экологически безупречным. Бóльшая устойчивость к работе при перегрузках позволит заменить традиционный трансформатор менее мощным сверхпроводниковым, а уменьшенное старение изоляции из-за низких рабочих температур и отсутствия температурных градиентов позволит увеличить время эксплуатации.

Будущее сверхпроводимости

Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений. В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии.

Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько сантиметров можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, и при этом с очень малыми потерями. Более того, в связи с неизбежным изменением географии основных центров источников энергии (например, нефть/газ в районе шельфа и континентальной части Северного Ледовитого океана и Антарктиды, солнечная энергия – пустыни Африки и Австралии и т.д.), сопровождаемым отдалением от основных центров потребления, проблема повышения передаваемой мощности на большие расстояния при минимизации потерь становится всё более актуальной.

Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно привлекательны для применения на флоте – как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов и обладают высокой тягой даже на низких оборотах. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает КПД силовой установки. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах и на автомобильном транспорте. Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большую скорость.

Единственная в мире действующая пассажирская магнитно-левитационная (но не сверхпроводящая) железнодорожная линия протяженностью 30,5 км расположена в Китае. Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. Предполагается, что линия длиной 290 км соединит Токио и район в центральной Японии. Используемая технология подразумевает использование электродинамической подвески на сверхпроводящих магнитах, установленных как на поезде, так и на трассе. Тестовые испытания были успешно проведены еще в 2003 г., в их ходе был поставлен мировой рекорд скорости передвижения поезда (581 км/час). Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

В перспективе возможны проекты совместной прокладки криотрубопроводов и железных дорог. Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии (токамаки). Данные технологии, как известно, способны кардинальным образом изменить облик мировой энергетической системы.

Используемые ресурсы:

http://www.superox.ru/application_superconductivity.htm Применение сверхпроводников http://class-fizika.narod.ru/10_9.htm http://www.physbook.ru/ http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%E2%E5%F0%F5%EF%F0%EE%E2%EE%E4%E8%EC%EE%F1%F2%FC Сверхпроводимость http://www.krugosvet.ru/node/38982 Сверхпроводимость