Источник задания: Решение 3736. ЕГЭ 2017. Русский язык. И.П. Цыбулько. 36 вариантов.

(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов - меди и алюминия. (2)<...> мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы перспективной военной техники, поезда, на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов. (3)Устройства, изготовленные с использованием сверхпроводящих материалов, характеризуются значительно меньшими размерами и массой.

Задание 1. Укажите два предложения, в которых верно передана ГЛАВНАЯ информация, содержащаяся в тексте. Запишите номера этих предложений.

1) Для создания таких устройств, которые невозможно или невыгодно изготавливать с использованием обычных проводников, применяют сверхпроводники, помогающие сделать эти устройства более компактными и лёгкими.

2) При создании мощных магнитных систем для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующих ограничителей тока, медицинских томографов, спектрометров высокого разрешения, образцов перспективной военной техники, поездов на магнитной подушке иногда используют сверхпроводящие металлы.

3) Для создания сооружений, которые нецелесообразно возводить с применением лишь традиционных проводниковых материалов - меди и алюминия, используют также сверхпроводники.

4) Сверхпроводники используют при создании устройств, изготовление которых из обычных проводников невозможно или экономически невыгодно, причём применение сверхпроводников делает устройства менее объёмными и тяжёлыми.

5) Для изготовления таких устройств, которые должны обладать небольшим объёмом и массой при разнообразии выполняемых ими функций, используют проводники.

Решение.

В этом задании выбираем ДВА предложения, которые верно передают самое важное содержание текста. Скорее всего, эти предложения будут содержать одинаковую информацию.

1. Выделяем главную информацию текста.

(1)Сверхпроводники используют для создания таких устройства, которые экономически невыгодно изготавливать из обычных проводников.(3) Эти устройства меньше по размеру и массе.

2. Находим предложения, в которых эта информация передана без искажений и ошибок.

1) Подходит.

2) Передана второстепенная информация.

3) Не вся информация.

4) Подходит.

5) Не вся информация.

Проверка. Выбранные варианты должны содержать одну и ту же информацию.

1) Для создания таких устройств, которые невозможно или невыгодно изготавливать с использованием обычных проводников, применяют сверхпроводники, помогающие сделать эти устройства более компактными и лёгкими. (Сверхпроводники используют для создания устройств, которые изготовить из обычных проводников невозможно или невыгодно, к тому же сверхпроводники делают устройства легче и компактнее.)

4) Сверхпроводники используют при создании устройств, изготовление которых из обычных проводников невозможно или экономически невыгодно, причём применение сверхпроводников делает устройства менее объёмными и тяжёлыми. (Сверхпроводники используют для создания устройств, которые изготовить из обычных проводников невозможно или невыгодно, к тому же сверхпроводники делают устройства легче и компактнее.)

В ответ выписываем две цифры без пробелов и запятых.

Использование явления сверхпроводимости открывает широкие возможности в технике. Широкое применение находят источники мощных постоянных магнитных полей в виде соленоидов с обмотками из сверхпроводящих материалов. Ведутся работы по использованию сверхпроводников для линий электропередач и во многих других электротехнических устройствах.

Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 К (-263,83 °С). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994-74). Сплав 65БТ содержит 22-26% Ti; 63-68% Nb; 8,5-11,5% Zr и имеет критическую температуру перехода 9,7 К (-263,3 С С). Для Т = 4,2 К критические значения плотности тока составляют 2,8·106 А/м 2, напряженность магнитного поля (6-7,2)·106 А/м. Проволоку из сплава 35БТ состава 60-64% Ti; 33,5-36,5% Nb; 1,7-4,3% Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.

Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, поезда на магнитной подушке), туннельных диодов (для ЭВМ).

Способность сверхпроводников, являющихся диамагнетиками, выталкивать магнитное поле, используют в магнитных насосах, позволяющих генерировать магнитные поля колоссальной напряженности, а также в криогенных гироскопах. Якорь гироскопа, изготовленный из сверхпроводника, "плавает" в магнитном поле. Отсутствие опор и подшипников устраняет трение и повышает долговечность гироскопа.

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa2 Cu3 Ox, получены вещества, для которых температура Тc перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т.н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим.

Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации.

Сверхпроводник наименьшего размера был создан в 2010 году на основе органического сверхпроводника (BETS)2 GaCl4, где аббревиатура BETS означает бисэтилендитиотетраселенафульвален. Созданный сверхпроводник состоит всего из четырёх пар молекул этого вещества при общей длине образца порядка 3,76нм.

Вопросы различных применений сверхпроводящих материалов стали обсуждаться практически сразу после открытия явления сверхпроводимости. Еще Камерлинг-Оннес считал, что с помощью сверхпроводников можно создавать экономичные установки для получения сильных магнитных полей. Однако реальное использование сверхпроводников началось в 50-х − начале 60-х годов XX века. В настоящее время работают сверхпроводящие магниты различных размеров и форм. Их применение вышло за рамки чисто научных исследований, и сегодня они широко используются в лабораторной практике, в ускорительной технике, томографах, установках для управляемой термоядерной реакции. С помощью сверхпроводимости стало возможным многократно повысить чувствительность многих измерительных приборов. Такие приборы названы сквидами (от англ. Superconducting Quantum Interference Devices ). Особо следует подчеркнуть внедрение сквидов в технику, в том числе и в современную медицину.

Наибольшее применение сверхпроводники нашли в настоящее время в области создания сильных магнитных полей. Современная промышленность производит из сверхпроводников второго рода разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток сверхпроводящих магнитов, с помощью которых получают значительно более сильные поля (более 20 Тл), чем при использовании железных магнитов.

Сверхпроводящие магниты являются и более экономичными. Так, например, для поддержания в медном соленоиде с внутренним диаметром 4 см и длиной 10 см поля 100 кГс необходима электрическая мощность не менее 5100 кВт, которую нужно полностью отвести водой, охлаждающей магнит. Это означает, что через магнит надо прокачивать не менее 1 м 3 воды в минуту, а затем ее еще охлаждать. В сверхпроводящем варианте такой объем магнитного поля создается достаточно просто, необходимо лишь сооружение гелиевого криостата для охлаждения обмоток, что является несложной технической задачей.

Другое преимущество сверхпроводящих магнитов состоит в том, что они могут работать в короткозамкнутом режиме, когда поле «заморожено» в объеме, что обеспечивает практически не зависящую от времени стабильность поля. Это свойство очень важно при исследованиях веществ методами ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов, в томографах и т. п.

Еще одно применение сверхпроводников − создание подшипников и опор без трения. Если над металлическим кольцом с током поместить сверхпроводящую сферу, то на ее поверхности в силу эффекта Мейснера индуцируется сверхпроводящий ток, что приводит к появлению сил отталкивания между кольцом и сферой, и сфера может повиснуть над кольцом.

Подобный же эффект может наблюдаться, если над сверхпроводящим кольцом поместить постоянный магнит. На этом может быть основано создание, например, новых видов транспорта. Речь идет о создании поезда на магнитной подушке, в котором будут полностью отсутствовать потери на трение о колею дороги. Модель такой сверхпроводящей дороги длиной 400 м была построена в Японии еще в 1970-х годах. Расчеты показывают, что поезд на магнитной подушке сможет развивать скорость до 500 км/ч. Такой поезд будет «зависать» над рельсами на расстоянии 2−3 см, что и даст ему возможность разогнаться до указанных скоростей.

В настоящее время широко используются сверхпроводящие объемные резонаторы, добротность которых может достигать . С одной стороны, такие устройства позволяют получать высокую частотную избирательность. С другой стороны, сверхпроводящие резонаторы широко используются в сверхпроводящих ускорителях, позволяя существенно уменьшить мощность, требуемую для создания ускоряющего электрического поля.

Применение сверхпроводимости может привести к созданию сверхбыстрых электронно-вычислительных машин. Речь идет о так называемых криотронах − переключающих сверхпроводящих элементах. Такие устройства могут легко сочетаться со сверхпроводящими запоминающими элементами. Важным преимуществом криотронов перед обычными полупроводниковыми устройствами является отсутствие потребности в энергии в стационарном состоянии. После создания переходов Джозефсона было предложено заменить ими криотроны, и оказалось, что время переключения такой системы составляет около 10 -12 с. Именно это и открывает широкие перспективы для создания мощнейших вычислительных машин, но пока эти разработки являются лишь лабораторными образцами.

Наиболее перспективными направлениями широкого использования высокотемпературных сверхпроводников считаются криоэнергетика и криоэлектроника. В криоэнергетике уже разработана методика изготовления достаточно длинных (до нескольких километров) проводов и кабелей на основе висмутовых ВТСП-материалов. Этого уже достаточно для изготовления небольших двигателей со сверхпроводящей обмоткой, сверхпроводящих трансформаторов, катушек индуктивности и т. д. На основе этих материалов созданы сверхпроводящие соленоиды, обеспечивающие при температуре жидкого азота (77 К) магнитные поля порядка 10000 Гс.

В криоэлектронике разработана методика изготовления пленочных сквидов, которые по своим характеристикам практически не уступают гелиевым аналогам. Освоена методика получения совершенных магнитных экранов из ВТСП, в частности, для исследования биомагнитных полей. Из ВТСП созданы антенны, передающие линии, резонаторы, фильтры, смесители частоты и т. д.

Темп технологических и прикладных исследований очень высок, так что, возможно, промышленность освоит выпуск изделий из высокотемпературных сверхпроводников раньше, чем будет достоверно выяснена природа сверхпроводимости в металлооксидных соединениях.

Контрольные вопросы

1. Каково равновесное состояние электронного газа в проводнике в отсутствие электрического поля?

2. Поясните механизм дрейфа электронов под действием внешнего поля.

3. Какими соотношениями определяется подвижность носителей заряда в полупроводниках? Какие факторы определяют величину подвижности?

4. Чем определяется электропроводность σ n металлов?

5. Чем обусловлено электросопротивление металлов? Какова его зависимость от температуры?

6. О чем говорит закон Видемана – Франца?

7. Почему при расчётах электропроводности проводников учитывается полная концентрация носителей заряда, если реально в проводимости участвуют только ферми-электроны?

8. Привести график и дать объяснения зависимости проводимости легированного полупроводника с разной степенью легирования от температуры.

9. Указать основные свойства сверхпроводящего состояния

10. Дать качественное описание механизма возникновения сверхпроводимости с помощью БКШ-теории.

11. Описать направления применения сверхпроводимости.

Рис.12. Многократная ТМО

Рис.13. Зависимость критической плотности тока от заключительной вытяжки

Влияние пятого фактора – заключительной деформации – продемонстрировано на рис.13. В выпускаемых в производстве сверхпроводниках критическая плотность тока растет с увеличением заключительной вытяжки до тех пор, пока преимущества измельчения микроструктуры (для лучшего соответствия параметрам пиннинга) не подавляются развитием «сосисочности» волокон

(обычно в качественных композитах при ε = ln μ > 5). В максимальной оптимизации этих факторов заключается повышение критической плотности тока и обеспечение стабильности характеристик технических Nb-Ti сверхпроводников.

5. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К NB-TI СПЛАВАМ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Учитывая вышеизложенное, очевидно, что, в первую очередь, качество технических сверхпроводящих материалов зависит от качества исходного сверхпроводящего сплава Nb-Ti, т. е. от его химического состава, однородности и пластичности. Если рассматривать Nb-Ti сплав как сплав на основе титана, легированный ниобием (см.рис.13), то добавка Nb понижает температуру полиморфного превращения титана β→α , и, следовательно, увеличивает устойчивость β -фазы.

Примеси, контролируемые в спецификациях, с точки зрения влияния на полиморфное превращение являются стабилизаторами либо α -фазы, либо β -фазы. На рис. 14 представлен обобщенный график, классифицирующий легирующие элементы в титановых сплавах по их влиянию на полиморфное превращение. Примеси азота, кислорода, углерода и алюминия являются стабилизаторами α -фазы, т. е. повышают температуру полиморфного превращения, способствуют образованию и росту α -выделений и препятствуют их растворению. α --стабилизаторы потенциально повышают критическую плотность тока в сплавах, но, к сожалению, резко снижают технологичность проводов. Кислород сильнее всех остальных примесей способствует увеличению твердости и критической плотности тока, за ним следуют азот и углерод. Предельные содержания примесей O,C,N в спецификациях не связаны с ролью стабилизаторов α -фазы, а в большей степени вызваны желанием повысить пластичность проводов.

Рис.14. Классификация диаграмм состояния титановых сплавов

Примеси железа, никеля, хрома, кремния, меди и тантала являются стабилизаторами β -фазы, так как снижают температуру аллотропического превращения. Однако поскольку содержание этих примесей в промышленных сплавах низко, они не оказывают существенного влияния на фазовый распад. Результаты ряда работ показывают, что увеличение содержания Ta до 0.25 масс. % и даже до 2 масс. % не влияет ни на критическую плотность тока, ни на технологичность, однако снижает стоимость сплава из-за отсутствия необходимости очистки сплава от тантала. Увеличение содержания железа (Al, Cu) до 0.05 масс.% не ухудшает ни технологичности, ни сверхпроводящих характеристик сплава. Отмечено также благоприятное влияние Fe на критическую плотность тока проводов в полях выше 9 Тл.

Необходимым условием для получения высококачественных проводов являются высокие механические характеристики сплава и, в первую очередь, его пластичность. Повышения пластичности материала можно достичь за счёт предварительной деформации слитка с последующим рекристаллизационным отжигом перед закладкой Nb-Ti заготовки в сборку. Цель такого процесса – создание в Nb-Ti заготовке равномерной мелкозёренной структуры.

6. СПОСОБЫСБОРКИСОСТАВНЫХЗАГОТОВОК

Известные методы сборки составных заготовок включают однократную, двукратную и трехкратную сборки. Независимо от предполагаемого способа изготовления проводника первую многоволоконную составную заготовку собирают либо из биметаллических Cu/NbTi (или триметаллических Cu/Nb/NbTi) элементов, либо раздельно из медных трубок и ниобий-титановых стержней. Биметаллические (триметаллические) элементы и медные трубки могут быть круглого и шестигранного сечения, однако предпочтение отдают шестигранным элементам, поскольку сборка круглых обычно вносит значительное количество нежелательных пустот. Избыток пустот может привести к искажению геометрии сборки и даже к разрушению ее оболочки во время изостатического прессования (обжатия). Искажение сборки, вызываемое смещением групп элементов друг относительно друга, характерно для круглых элементов. Вид поперечных сечений проводников, изготовленных из сборок с элементами круглого профиля, выявляет многочисленные области, в которых нарушается геометрический порядок расположения и профиль волокон. Гексагональные элементы эффективно замыкаются и образуют монолитную массу, обжатие которой не приводит к активному смещению волокон из своих положений.

Рис.15. Сборка составных заготовок

Рис16. Сверхпроводники на основе Nb-Ti для различных полоидальных обмоток ИТЭР (а ), СКНТ 0.82-42-0.25 для томографов (б )

При компенсации большого количества пустот за счет обжатия следует учитывать возможность уменьшения исходного размера заготовки и, как следствие, уменьшение общей вытяжки при волочении, что, в свою очередь, не позволит получить расчетный диаметр волокон при требуемом диаметре провода. Заполнение пустот между элементами круглого сечения изменит расчетное соотношение меди и сверхпроводника.

Таким образом, при сборке составных заготовок любой кратности целесообразно использовать элементы шестигранного сечения.Однократная сборка позволяет наиболее экономичным способом изготовить высококачественные сверхпроводники (рис.15).

Используя сборку биметаллических (триметаллических) шестигранных прутков, можно конструировать проводники с числом волокон от нескольких штук до нескольких десятков тысяч (рис.16).При необходимости изготовления проводов с большим числом ниобий-титановых волокон используют двукратную и трехкратную сборки. Существенным недостатком этих методов является высокая стоимость и более низкое качество проводов по сравнению с проводами, полученными из однократной сборки.

7. ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Со времени открытия сверхпроводимости усилия физиков и инженеров были направлены на поиски различных вариантов технического использования этого поразительного явления. До шестидесятых годов прошлого века сверхпроводники и сверхпроводимость были объектами только физического исследования. Проблема практического использования сверхпроводников относилась к области научной фантастики. Огромные возможности, которые открывает перед техникой использование сверхпроводящих магнитных систем, стимулируют проведение исследований во всевозрастающем объеме.

Однако только после развития техники низких температур, появления теоретических работ, объяснивших природу сверхпроводящего состояния, и, конечно, после создания сверхпроводящих материалов с высокими критическими свойствами сверхпроводимость начала выходить на дорогу практического применения. Для одних отраслей науки и техники применение сверхпроводников позволяет улучшить характеристики приборов, для других является единственным приемлемым решением, например в космических и транспортных аппаратах, термоядерных реакторах и МГДгенераторах. Важными сферами применения сверхпроводников может быть их использование в физике высоких энергий, плазмы, термоядерных реакций, МГД-генераторах, при передаче электроэнергии на большие расстояния, в различных приборах электрон-

ной, измерительной и вычислительной техники, особенно для медицинской диагностики. Примеры использования сверхпроводников можно условно разделить на три группы:

для получения сильных магнитных полей; для кабелей электропередач; для электроники.

7.1. Применение сильноточных сверхпроводников

В основном два уникальных свойства сверхпроводников лежат в основе их сильноточных применений:

в интервале значений, ниже критических величин температуры, индукции магнитного поля и плотности электрического тока, сверхпроводники имеют нулевое сопротивление и способны нести ток без потерь на нагрев проводника;

при значениях магнитного поля ниже так называемого мейснеровского сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом.

Сильноточные технологии разрабатываются для создания устройств больших мощностей и запасенных энергий. Сильноточные сверхпроводники применяются для создания, в первую очередь, высоких магнитных полей, поскольку для поддержания в сверхпроводящем соленоиде уже созданного поля не требуется затрат электрической мощности. Энергия не теряется и может быть использована в случае надобности снова. Этот принцип используется

и при создании накопителей энергии.

Соленоиды из меди имеют проблему прочности. В поле с индукцией 100 Тл магнитные усилия эквивалентны усилиям в жерле пушки при выстреле! Поэтому требуется усиливающая обмотка из медных сплавов повышенной прочности. Другая проблема – большой расход хладагента.

У сверхпроводящих соленоидов эти проблемы решаются, так как они легче и меньше по размерам – они требуют меньшего расхода хладагента. Для сравнения – при индукции магнитного поля 10-15 Тл сверхпроводящий магнит весит всего несколько десятков килограммов, занимает площадь несколько квадратных метров и расходует около 10 л жидкого He в сутки. И это вместо нескольких десятков тонн и тысяч киловатт электроэнергии, которые потребовались бы для несверхпроводящего магнита.

Естественно, что первой областью применения сверхпроводимости явилась физика твердого тела и физика высоких энергий. Магнитные поля применяются практически во всех областях физики.

Сверхмагниты, создающие в малых объемах сильное и очень однородное магнитное поле, нужны при изучении твердого тела. Сильное магнитное поле резко заворачивает траектории электронов, летящих в толще образца. Измерение частоты колебания этого движения позволяет определить эффективную массу электронов, длину свободного пробега между двумя соударениями, концентрацию частиц. Становится также возможным сознательно вводить центры рассеяния электронов и изучать влияние этих центров на электронную систему.

Физика высоких энергий – это не только создание магнитных систем ускорителей, а также и каналов транспортировки и сепарации пучков, разнообразных детектирующих систем. Сильные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, нужны и для управления пучками частиц на выходе из ускорителя.

Современные ускорители, сообщающие частицам высокие энергии (десятки и сотни гигаэлектронвольт), имеют вид больших колец и состоят их секторных магнитов. Ускорители – это очень сложные и дорогостоящие сооружения. В нашей стране был построен под Серпуховом крупнейший протонный ускоритель, который имеет диаметр 0,5 км, его длина 1,5 км, он состоит из 120 массивных блоков весом 20 тысяч тонн и способен набирать до 76 ГэВ энергии. (В Дубне работают небольшие ускорители на основе нио- бий-титанового сплава НТ-50.)

Создана установка «Гиперон-1» для исследования частиц с малым временем жизни; диаметр рабочей области 1 м, индукция магнитного поля достигает 5 Тл. Обмотка из сверхпроводников на основе ниобий-титанового сплава НТ-50 имеет вес 8 т, его криогенная установка потребляет только сотую часть энергии, которую потреблял бы в обычном использовании аналогичный несверхпроводящий магнит.

Создание магнитов для Большого адронного коллайдера (LHC) является в настоящее время самым масштабным использованием сверхпроводников, поскольку для этого потребуется изготовить ~ 1400 тонн проводника, в котором ~ 400 тонн приходится на Nb-Ti

сплав. Экспериментальные провода диаметром 1,065 мм с диаметром волокон 12 мкм были изготовлены в рамках исследовательской программы LHC – Большого адронного коллайдера, который будет работать при температуре сверхтекучего гелия (1,9 К).

ИТЭР, Токамаки. Энергетика является важной и перспективной областью применения сверхпроводников. Потребление энергии растет неуклонно, а в условиях ограниченности используемого природного топлива – нефти, газа, угля – встает вопрос о новых источниках энергии, одним из которых может стать термоядерный синтез. Электростанция на термоядерной энергии – это революция, сравнимая с изобретением паровой машины и компьютера. Все без исключения серьезные специалисты считают, что лишь использование термоядерной энергии способно решить энергетические проблемы цивилизации. В отличие от газа и угля он не исчерпаем, в отличие от атомной энергии – безопасен. В отличие от нетрадиционных источников – эффективен для промышленного освоения.

Одной из наиболее острых и важных проблем при использовании термоядерного синтеза является осуществление управляемой термоядерной реакции. Успешные решения этой задачи обещает человечеству неисчерпаемые источники энергии. Принцип действия термоядерного реактора имеет много общего с обычным атомным реактором (см.рис.16) Различие состоит в том, что термоядерная реакция – есть реакция синтеза (соединения) легких ядер в более тяжелые, а не их деления: например синтез ядер гелия из ядер дейтерия – тяжелого водорода. Из дейтерия, содержащегося в 1 л воды, можно получить такую же энергию, как при сгорании 350 л бензина.

Такой синтез осуществлен при взрыве водородных бомб, но эта реакция неуправляема. Для осуществления управляемого синтеза необходимо разогнать ядра легких атомов до таких скоростей, чтобы при столкновении они не разлетались. Для этого надо иметь очень высокую температуру – в десятки миллионов градусов. Когда любое вещество находится в состоянии плазмы, атомы теряют электронные оболочки и образуется бурлящая смесь положительно заряженных частиц. Такую плазму можно удержать только магнитным полем. Эти поля так велики, что их можно создать только с помощью сверхпроводящих магнитов. На установках типа Токамак

удалось осуществить удержание плазмы при температуре 80 млн. град при высокой плотности до 1015 частиц в 1 см3 (рис.18).

Рис.17. Схематичное изображение термоядерной реакции

Рис.18. Распределение тороидального магнитного поля в поперечном сечении Токамака: 1 – стенка рабочей камеры; 2 – обмотка; 3 – плазма

Наибольшего значения магнитная индукция достигает на обмотках с внутренней стороны тора, поскольку здесь плотность тока (число витков на единицу площади) максимальна. Внутри обмоток поле изменяется сравнительно медленно (по закону 1/r ), а снаружи резко падает.

Токамак по принципу действия можно сравнить с большим трансформатором. К его первичной обмотке проводится электропитание из сети. Вторичной обмоткой служит замкнутая тороидальная вакуумная камера, заполняемая водородом или его тяжелыми изотопами. При пропускании через первичную обмотку переменного тока в камере возникает вихревое поле, которое ионизирует рабочий газ. Наведенный в этом газе, как в проводнике сильный ток (в сотни тысяч ампер) образует плазму и нагревает ее до высоких температур. Сильное магнитное поле вторичного тока и

При температуре ниже определённого значения некоторые вещества теряют способность препятствовать прохождению электрического тока. Их электрическое сопротивление становится нулевым. Это свойство называют сверхпроводимостью.

Открытие сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес , исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г. А в 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий. Охлаждая с его помощью металлическую ртуть, он с удивлением обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление ртути скачком падает до нуля.

Согласно существовавшим в то время физическим теориям, с понижением температуры сопротивление должно плавно падать. Но существовала и такая точка зрения, что при очень низкой температуре движение электронов прекратится, сопротивление вырастет, и вещество вообще перестанет проводить электрический ток.

В начале эксперимента всё происходило согласно теории. С понижением температуры сопротивление ртути плавно уменьшалось. Но когда температура опустилась до 4,15 К, ртуть внезапно вообще потеряла сопротивление. Она перешла в совершенно новое состояние, которое было названо сверхпроводимостью .

Природа сверхпроводимости

Что же происходит в металлах при понижении их температуры до значений, близких к абсолютному нулю?

Каждый атом состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, имеющих отрицательный заряд. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. Чем ближе орбита к ядру, тем сильнее электрон к нему притягивается. Электроны, находящиеся на внешней орбите, называются валентными. Они легко отрываются от ядра, покидают свою орбиту и свободно перемещаются внутри кристаллической решётки. Под воздействием внешнего электрического поля их движение становится упорядоченным, они начинают двигаться в одном направлении. В металле возникает электрический ток. Однако на пути электронов возникают препятствия в виде узлов кристаллических решёток, их дефектов, или атомов примесей, которые присутствуют в веществе. Поэтому возникает электрическое сопротивление току. С понижением температуры нарушения структуры решёток, связанные с тепловыми колебаниями атомов, уменьшаются. Структура становится более правильной. Следовательно, уменьшается и сопротивление.

Объяснение сверхпроводимости на микроскопическом уровне было дано в теории, названной БКШ в честь её создателей - американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера . В её основу положены куперовские пáры электронов .

Леон Нил Купер

При обычных условиях электроны являются фермионами, частицами с полуцелым спином, имеющим значение -1/2 или +1/2. Каждый из фермионов описывается своей волновой функцией. Двигаются они также поодиночке и самостоятельно преодолевают препятствия на своём пути. Но при определённых условиях они образуют пáры. Электроны со значениями спинов +1/2 и -1/2 объединяются и образуют связанное состояние, которое называют кýперовской парой . Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона. А раз её суммарный спин равен нулю, то она обладает свойствами бозона. Бозоны образуют «бозе-конденсат», к которому присоединяются все свободные бозоны. Они становятся единым целым, способным двигаться, не реагируя ни на какие препятствия на своём пути. Так возникает ток сверхпроводимости.

Критическая температура

Оказалось, что не только ртуть обладает сверхпроводимостью при температурах, близких к абсолютному нулю. Такое свойство открыли у свинца, олова, таллия, урана и других металлов. Сверхпроводимость проявляется скачкообразно, когда вещество охлаждается до определённой температуры. Температуру Т с , при которой этот скачок происходит, называют критической. У каждого элемента, обладающего сверхпроводимостью, она своя. Например, ниобий переходит в состояние сверхпроводимости при 9 К, а вольфрам при 0,012 К.

Сверхпроводимостью обладают не только чистые металлы, но и некоторые сплавы. Например, сплав ртути с золотом и оловом. Существуют даже сверхпроводящие сплавы, у которых один из элементов, входящих в его состав, может и не быть сверхпроводником.

Если кольцо из сверхпроводника охладить до критической температуры и возбудить в нём электрический ток, то он будет течь даже после того, как уберут источник тока, и до тех пор, пока в кольце будет поддерживаться температура ниже критической. Но так происходит только в электрическом поле постоянного электрического тока. В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника увеличивается, если увеличивается частота переменного тока.

В 1983 - 1986 г.г. были созданы новые сверхпроводники. Это сверхпроводящие керамики, сверхпроводники на основе железа и др. Сверхпроводимость в них наступала при температурах, значительно превышающих температуру абсолютного нуля. В 1993 г. было открыто вещество, критическая температура которого равна 135 К.

Эффект Мейснера

В 1933 г. немецкий физик Вальтер Фриц Мейснер вместе с другим немецким физиком Робертом Оксенфельдом открыл ещё одно удивительное и важное свойство сверхпроводников - выталкивание магнитного поля из своего объёма . Это явление было названо эффектом Мейснера .

Вальтер Фриц Мейснер

Эффект Мейснера наглядно демонстрирует опыт, поставленный в 1945 г. российским физиком Владимиром Константиновичем Аркадьевым.

В этом эксперименте постоянный магнит, поднесённый к чашечке, сделанной из сверхпроводящего металла, висит в пространстве над ней. Низкая температура чашечки поддерживается за счёт того, что её ножки погружены в жидкий гелий. Но почему же магнит не притягивается к чашечке? Дело в том, что незатухающий ток внутри сверхпроводника создаёт магнитное поле, направление которого противоположно направлению внешнего магнитного поля, создаваемого магнитом. Это поле уравновешивает и отталкивает внешнее поле, благодаря чему магнит будто парит в пространстве. Это явление называется магнитной левитацией.

Если поместить сверхпроводник в магнитное поле и напряжённость этого поля увеличивать, то при определённом значении напряжённости, равной Н с , сверхпроводимость исчезает. Такое магнитное поле называется критическим полем. При напряжённости выше Н с сверхпроводник становится обычным проводником. Чем ниже температура сверхпроводника, тем большей должна быть напряжённость поля, способного разрушить сверхпроводимость.

В чистых сверхпроводников, состоящих из одного вещества, магнитное поле будет выталкиваться до тех пор, пока напряжённость магнитного поля не достигнет значения Н с . Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками I рода .

А для сверхпроводящих сплавов таких значений два: Н с1 и Н с2 . Когда напряжённость внешнего магнитного поля достигнет значения Н с1 , это поле уже начнёт проникать внутрь сверхпроводника. Но его электрическое сопротивление всё ещё остаётся нулевым, и явление сверхпроводимости наблюдается. А когда напряжённость станет равна Н с2 , сверхпроводимость исчезнет совсем. Такие сверхпроводники называются сверхпроводниками II рода .

Применение сверхпроводников

Открытие сверхпроводимости произвело настоящий переворот в науке. Сразу же появилось множество идей по использованию этого уникального явления в технике.

При сверхнизких температурах ток проходит в сверхпроводниках практически без потерь. Поэтому их используют при создании различных кабелей, коммутационных устройств, электродвигателей, турбогенераторов, приборов для измерения температуры, давления и др. Они идеально подходят для создания электромагнитов. С их помощью создаётся электромагнитное поле в магнитно-резонансном томографе. Это позволяет врачам получать качественные изображения тканей внутренних органов человека в разрезе, хотя на самом деле орган не травмируется.

В установках термоядерного синтеза, в крупных ускорителях элементарных частиц используют сверхпроводящие катушки.

Обмотки сверхпроводящих магнитов, с помощью которых создают сильные магнитные поля, изготавливают из сверхпроводников II рода. Сверхпроводящие магниты гораздо экономичнее обычных ферромагнитов.

В 2003 г. в Японии провели испытание поезда на магнитной подвеске. Его движение основано на использовании эффекта Мейснера (магнитной левитации). Электромагнитное поле рельсов отталкивается сверхпроводниками, находящимися в подвеске поезда. И поезд словно летит над рельсами, не касаясь их. Это позволяет ему развивать огромную скорость, сравнимую со скоростью самолёта. Конечно, такие поезда требуют специальных рельсов. Но энергии они затрачивают в десятки раз меньше, чем самолёты. Подобные поезда созданы в Германии, Китае и Южной Корее.