Εφαρμογή του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας. Χρήσεις υπεραγωγιμότητας Πρακτικές εφαρμογές υπεραγωγιμότητας

Ζούμε σε έναν κόσμο όπου τα πάντα είναι αλληλένδετα και το μέλλον μας εξαρτάται από το τι κάνουμε σήμερα. Σε αυτό το κείμενο ο V.M. Ο Πεσκόφ μας καλεί να σκεφτούμε το πρόβλημα της σχέσης ανθρώπου και φύσης.

Αναφερόμενος στο θέμα, ο συγγραφέας αναφέρει ως παράδειγμα τα λόγια ενός επιστήμονα που μελετά το διάστημα για μεγάλο χρονικό διάστημα: «Πρέπει να φροντίσουμε το σπίτι μας - την πατρίδα μας τη Γη». Ο συγγραφέας, αναλύοντας τη βλαβερή επίδραση του ανθρώπου σε περιβάλλον, τονίζει ότι είμαστε μέρος του «σύνθετου μοτίβου ζωής στον πλανήτη μας», βρισκόμαστε στην κεφαλή του ζωικού κόσμου και του φυσικού κόσμου, εξαρτιόμαστε από αυτούς όπως εξαρτώνται από εμάς, και ως εκ τούτου είναι ανόητο και απερίσκεπτο να εξοντώσει σπάνια είδη ζώων, να ρυπάνει και να καταστρέψει το περιβάλλον, ελπίζοντας να «μετακομίσει» σε άλλο πλανήτη.

Ο συγγραφέας πιστεύει ότι οι άνθρωποι πρέπει να φροντίζουν τον πλανήτη μας και όλα όσα τον κατοικούν, γιατί δεν υπάρχει άλλη ευκαιρία να δούμε σπάνια φυσικά φαινόμεναή, για παράδειγμα, δεν θα υπάρχει «φαλακρός αετός» - έχουμε μόνο έναν πλανήτη που «μας ταΐζει, μας επιτρέπει να αναπνέουμε, μας παρέχει νερό, ζεστασιά και τη χαρά της ζωής». Αν δεν επιτρέψουμε να υπάρχει όλη η ζωή στη γη, θα εξαφανιστεί και θα εξαφανιστούμε μαζί της.

Συμφωνώ απόλυτα με την άποψη του συγγραφέα και το πιστεύω επίσης ο κόσμοςχρειάζεται τη φροντίδα μας, όπως χρειαζόμαστε ζεστασιά, αέρα, φαγητό και ομορφιά – γενικά όλα όσα μας δίνει ο πλανήτης μας. Πρέπει να φροντίσουμε τη Γη, γιατί δεν θα έχουμε άλλη σαν αυτήν.

V.P. Ο Αστάφιεφ στο έργο του «Ο βασιλιάς είναι ένα ψάρι» μας δείχνει ότι η φύση είναι ζωντανή και πνευματική, είναι ικανή να ανταμείψει ένα άτομο για τη φροντίδα του και να τον τιμωρήσει για την αναίδεια και τον πόνο του. Κύριος χαρακτήραςέργα, φανταζόταν τον εαυτό του ως τον «βασιλιά της φύσης» και πίστευε ότι μπορούσε να το διαθέσει όπως ήθελε. Μόλις έπιασε το «βασιλόψαρο», αντίθετα με τις εντολές του παππού του, υπέκυψε στην απληστία και αποφάσισε να το αντιμετωπίσει μόνος του, για το οποίο τιμωρήθηκε πέφτοντας στο ποτάμι. Και, ανεξάρτητα από το πόσο ο Ignatych προσπάθησε να κατηγορήσει τα πάντα γύρω του για τον αναπόφευκτο θάνατο του, όπως του φαινόταν τότε, μετάνιωσε για όλες τις αμαρτίες του, για τις οποίες έλαβε την ευκαιρία να ζήσει.

Στην ιστορία του A.I. Ο Kuprin "Olesya" ο συγγραφέας απεικόνισε ένα παράδειγμα της σωστής στάσης απέναντι στη φύση. κύριος χαρακτήραςΈζησε ολόκληρη τη ζωή της σε ενότητα με τον κόσμο γύρω της - ένιωσε μια λεπτή σύνδεση μεταξύ της και του δάσους και το αντιλήφθηκε ως κάτι ζωντανό, προικισμένο με ψυχή. Το κορίτσι είναι πολύ πιο κοντά στον φυσικό κόσμο παρά στον αστικοποιημένο κόσμο των ανθρώπων, και ως εκ τούτου πάντα στεκόταν για να προστατεύσει όλους τους κατοίκους του δάσους.

Έτσι, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι οι άνθρωποι πρέπει να εκτιμούν τη Γη, να τη φροντίζουν και να μην ξεχνάμε ότι εκτός από εμάς, υπάρχουν πολλά περισσότερα ζωντανά όντα που μας χρειάζονται όπως ακριβώς τα χρειαζόμαστε κι εμείς. Μόνο αν το συνειδητοποιήσουμε αυτό μπορούμε να σώσουμε τον πλανήτη μας.

Υπεραγωγοί

Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, η ηλεκτρική ειδική αντίσταση των μετάλλων μειώνεται και σε πολύ χαμηλές (κρυογονικές) θερμοκρασίες, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων πλησιάζει το απόλυτο μηδέν.

Το 1911, όταν ένας δακτύλιος παγωμένου υδραργύρου ψύχθηκε σε θερμοκρασία 4,2 Κ, ο Ολλανδός επιστήμονας G. Kammerlingh-Onnes ανακάλυψε ότι η ηλεκτρική αντίσταση του δακτυλίου έπεσε ξαφνικά σε μια πολύ μικρή τιμή που δεν μπορούσε να μετρηθεί. Τέτοια εξαφάνιση ηλεκτρική αντίσταση, δηλ. η εμφάνιση άπειρης αγωγιμότητας σε ένα υλικό ονομάστηκε υπεραγωγιμότητα.

Τα υλικά που έχουν την ικανότητα να μετατρέπονται σε υπεραγώγιμη κατάσταση όταν ψύχονται σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία ονομάζονται υπεραγωγοί. Η κρίσιμη θερμοκρασία ψύξης στην οποία συμβαίνει η μετάβαση μιας ουσίας στην υπεραγώγιμη κατάσταση ονομάζεται υπεραγώγιμη θερμοκρασία μετάπτωσης ή κρίσιμη θερμοκρασία μετάπτωσης Tcr.

Η μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση είναι αναστρέψιμη. Όταν η θερμοκρασία ανέβει στην Tc, το υλικό επιστρέφει στην κανονική (μη αγώγιμη) κατάσταση.

Η ιδιαιτερότητα των υπεραγωγών είναι αυτή που κάποτε επάγεται σε ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα ηλεκτρική ενέργειαθα κυκλοφορεί για μεγάλο χρονικό διάστημα (χρόνια) κατά μήκος αυτού του κυκλώματος χωρίς αισθητή μείωση της δύναμής του και, επιπλέον, χωρίς πρόσθετη παροχή ενέργειας από το εξωτερικό. Αρέσει μόνιμος μαγνήτηςένα τέτοιο κύκλωμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο.

Το 1933, οι Γερμανοί φυσικοί W. Meissner και R. Ochsenfeld ανακάλυψαν ότι οι υπεραγωγοί, κατά τη μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση, γίνονται ιδανικά διαμαγνητικά υλικά. Επομένως, το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δεν διεισδύει στο υπεραγώγιμο σώμα. Εάν η μετάβαση ενός υλικού στην υπεραγώγιμη κατάσταση συμβαίνει σε ένα μαγνητικό πεδίο, τότε το πεδίο «σπρώχνεται έξω» από τον υπεραγωγό.

Οι γνωστοί υπεραγωγοί έχουν πολύ χαμηλές κρίσιμες θερμοκρασίες μετάπτωσης Tk. Επομένως, οι συσκευές που χρησιμοποιούν υπεραγωγούς πρέπει να λειτουργούν υπό συνθήκες ψύξης υγρού ηλίου (η θερμοκρασία υγροποίησης του ηλίου σε κανονική πίεση είναι περίπου 4,2 K). Αυτό περιπλέκει και αυξάνει το κόστος παραγωγής και λειτουργίας υπεραγώγιμων υλικών.

Εκτός από τον υδράργυρο, η υπεραγωγιμότητα είναι εγγενής και σε άλλα καθαρά μέταλλα ( χημικά στοιχεία) και διάφορα κράματα και χημικές ενώσεις. Ωστόσο, μέταλλα όπως το ασήμι και ο χαλκός, το πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, που επιτεύχθηκε επί του παρόντος, δεν μπορούσε να μεταφερθεί στην υπεραγώγιμη κατάσταση.

Οι δυνατότητες χρήσης του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας καθορίζονται από τις τιμές της θερμοκρασίας μετάβασης στην υπεραγώγιμη κατάσταση Tk και την ένταση του κρίσιμου μαγνητικού πεδίου.

Τα υπεραγώγιμα υλικά χωρίζονται σε μαλακά και σκληρά. Οι μαλακοί υπεραγωγοί περιλαμβάνουν καθαρά μέταλλα, με εξαίρεση το νιόβιο, το βανάδιο, το τελλούριο. Το κύριο μειονέκτημα των μαλακών υπεραγωγών είναι η χαμηλή τιμή της έντασης του κρίσιμου μαγνητικού πεδίου.

Στην ηλεκτρική μηχανική, οι μαλακοί υπεραγωγοί δεν χρησιμοποιούνται, καθώς η υπεραγώγιμη κατάσταση σε αυτά τα υλικά εξαφανίζεται ήδη σε ασθενή μαγνητικά πεδίασε χαμηλές πυκνότητες ρεύματος.

Οι στερεοί υπεραγωγοί περιλαμβάνουν κράματα με παραμορφωμένα κρυσταλλικά πλέγματα. Διατηρούν την υπεραγωγιμότητα ακόμη και σε σχετικά υψηλές πυκνότητες ρεύματος και ισχυρά μαγνητικά πεδία.

Οι ιδιότητες των στερεών υπεραγωγών ανακαλύφθηκαν στα μέσα αυτού του αιώνα και μέχρι σήμερα το πρόβλημα της έρευνας και εφαρμογής τους είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα σύγχρονη επιστήμηκαι τεχνολογία.

Οι στερεοί υπεραγωγοί έχουν μια σειρά από χαρακτηριστικά:

· κατά την ψύξη, η μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση δεν συμβαίνει απότομα, όπως στους μαλακούς υπεραγωγούς, αλλά σε ένα ορισμένο διάστημα θερμοκρασίας.

· ορισμένοι από τους στερεούς υπεραγωγούς δεν έχουν μόνο σχετικά υψηλές τιμές της κρίσιμης θερμοκρασίας μετάβασης Tk, αλλά και σχετικά υψηλές τιμές της κρίσιμης μαγνητικής επαγωγής Bcr.

· όταν αλλάζει η μαγνητική επαγωγή, μπορούν να παρατηρηθούν ενδιάμεσες καταστάσεις μεταξύ υπεραγώγιμου και κανονικού.

τείνουν να διαχέουν ενέργεια όταν περνά μέσα από αυτά εναλλασσόμενο ρεύμα;

· εξάρτηση των ιδιοτήτων υπεραγωγιμότητας από τους τεχνολογικούς τρόπους κατασκευής, την καθαρότητα του υλικού και την τελειότητα της κρυσταλλικής δομής του.

Με βάση τις τεχνολογικές τους ιδιότητες, οι στερεοί υπεραγωγοί χωρίζονται στους ακόλουθους τύπους:

· σχετικά εύκολα παραμορφώσιμο, από το οποίο μπορούν να κατασκευαστούν σύρματα και ταινίες [νιόβιο, κράματα νιόβιου-τιτανίου (Nb-Ti), βανάδιο-γάλλιο (V-Ga)].

· δύσκολο να παραμορφωθεί λόγω ευθραυστότητας, από την οποία παράγονται προϊόντα με μεθόδους μεταλλουργίας σκόνης (διαμεταλλικά υλικά όπως το νιόβιο κασσιτερικό Nb3Sn).

Συχνά, τα υπεραγώγιμα σύρματα επικαλύπτονται με ένα "σταθεροποιητικό" περίβλημα από χαλκό ή άλλο μέταλλο που άγει καλά τον ηλεκτρισμό και τη θερμότητα, γεγονός που καθιστά δυνατή την αποφυγή ζημιάς στο βασικό υλικό του υπεραγωγού εάν η θερμοκρασία αυξηθεί κατά λάθος.

Σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται σύνθετα υπεραγώγιμα σύρματα, στα οποία μεγάλος αριθμόςΟι λεπτοί νηματώδεις υπεραγωγοί περικλείονται σε ένα τεράστιο κέλυφος από χαλκό ή άλλο μη υπεραγώγιμο υλικό.

Τα φιλμ υπεραγώγιμων υλικών έχουν ειδικές ιδιότητες:

· η κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης Tcr σε ορισμένες περιπτώσεις υπερβαίνει σημαντικά την Tcr των χύδην υλικών.

· μεγάλες τιμές των περιοριστικών ρευμάτων που διέρχονται από τον υπεραγωγό.

· μικρότερο εύρος θερμοκρασίας μετάβασης στην υπεραγώγιμη κατάσταση.

Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία: ηλεκτρικών μηχανών και μετασχηματιστών μικρής μάζας και μεγέθους με υψηλό συντελεστή χρήσιμη δράση; καλωδιακές γραμμέςγια μετάδοση ενέργειας υψηλής ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. κυματοδηγοί με ιδιαίτερα χαμηλή εξασθένηση. συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και συσκευές μνήμης· μαγνητικούς φακούς ηλεκτρονικά μικροσκόπια; επαγωγείς τυπωμένου κυκλώματος.

Ένας αριθμός συσκευών αποθήκευσης και στοιχεία αυτοματισμού και τεχνολογίας υπολογιστών έχουν δημιουργηθεί με βάση υπεραγωγούς φιλμ.

Οι περιελίξεις ηλεκτρομαγνητών από υπεραγωγούς καθιστούν δυνατή την απόκτηση των μέγιστων δυνατών τιμών της έντασης του μαγνητικού πεδίου

Ζητήματα διαφόρων εφαρμογών υπεραγώγιμων υλικών άρχισαν να συζητούνται σχεδόν αμέσως μετά την ανακάλυψη του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας. Ο Kamerlingh Onnes πίστευε επίσης ότι με τη βοήθεια υπεραγωγών ήταν δυνατό να δημιουργηθούν οικονομικές εγκαταστάσεις για την παραγωγή ισχυρών μαγνητικών πεδίων. Ωστόσο, η πραγματική χρήση υπεραγωγών ξεκίνησε στη δεκαετία του '50 και στις αρχές της δεκαετίας του '60 του 20ού αιώνα. Αυτή τη στιγμή χρησιμοποιούνται υπεραγώγιμοι μαγνήτες διαφόρων μεγεθών και σχημάτων. Η χρήση τους έχει ξεπεράσει καθαρά επιστημονική έρευνα, και σήμερα χρησιμοποιούνται ευρέως στην εργαστηριακή πρακτική, σε τεχνολογία επιταχυντών, τομογράφους και εγκαταστάσεις για ελεγχόμενες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Με τη βοήθεια της υπεραγωγιμότητας, έχει καταστεί δυνατό να αυξηθεί πολύ η ευαισθησία πολλών οργάνων μέτρησης. Τέτοιες συσκευές ονομάζονται καλαμαριέρες(από τα Αγγλικά Υπεραγώγιμες συσκευές κβαντικής παρεμβολής). Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην εισαγωγή των SQUID στην τεχνολογία, συμπεριλαμβανομένης της σύγχρονης ιατρικής.

Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται σήμερα ευρύτερα στον τομέα της δημιουργίας ισχυρών μαγνητικών πεδίων. Η σύγχρονη βιομηχανία παράγει μια ποικιλία συρμάτων και καλωδίων από υπεραγωγούς τύπου II, που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή περιελίξεων υπεραγώγιμων μαγνητών, οι οποίοι παράγουν σημαντικά ισχυρότερα πεδία (πάνω από 20 Tesla) από ό,τι όταν χρησιμοποιούνται μαγνήτες σιδήρου. Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες είναι επίσης πιο οικονομικοί. Έτσι, για παράδειγμα, για να διατηρηθεί ένα πεδίο 100 kG σε μια χάλκινη ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα με εσωτερική διάμετρο 4 cm και μήκος 10 cm, απαιτείται ηλεκτρική ισχύς τουλάχιστον 5100 kW, η οποία πρέπει να αφαιρεθεί πλήρως με ψύξη νερού μαγνήτης. Αυτό σημαίνει ότι τουλάχιστον 1 m 3 νερού ανά λεπτό πρέπει να αντλείται μέσω του μαγνήτη και στη συνέχεια να ψύχεται περαιτέρω. Στην υπεραγώγιμη έκδοση, ένας τέτοιος όγκος μαγνητικού πεδίου δημιουργείται πολύ απλά· είναι απαραίτητο μόνο να κατασκευαστεί ένας κρυοστάτης ηλίου για την ψύξη των περιελίξεων, κάτι που είναι μια απλή τεχνική εργασία.

Ένα άλλο πλεονέκτημα των υπεραγώγιμων μαγνητών είναι ότι μπορούν να λειτουργήσουν σε κατάσταση βραχυκυκλώματος, όπου το πεδίο είναι «παγωμένο» στον όγκο, παρέχοντας ουσιαστικά σταθερότητα πεδίου ανεξάρτητα από το χρόνο. Αυτή η ιδιότητα είναι πολύ σημαντική κατά τη μελέτη ουσιών χρησιμοποιώντας μεθόδους πυρηνικού μαγνητικού και παραμαγνητικού συντονισμού ηλεκτρονίων, σε τομογράφους κ.λπ.

Μια άλλη εφαρμογή των υπεραγωγών είναι η δημιουργία ρουλεμάν και στηριγμάτων χωρίς τριβές. Εάν μια υπεραγώγιμη σφαίρα τοποθετηθεί πάνω από έναν μεταλλικό δακτύλιο με ρεύμα, τότε ένα υπεραγώγιμο ρεύμα προκαλείται στην επιφάνειά του λόγω του φαινομένου Meissner, το οποίο οδηγεί στην εμφάνιση απωστικών δυνάμεων μεταξύ του δακτυλίου και της σφαίρας και η σφαίρα μπορεί να κρέμεται πάνω από δαχτυλίδι. Ένα παρόμοιο αποτέλεσμα μπορεί να παρατηρηθεί εάν ένας μόνιμος μαγνήτης τοποθετηθεί πάνω από έναν υπεραγώγιμο δακτύλιο. Αυτό μπορεί να είναι η βάση για τη δημιουργία, για παράδειγμα, νέων τρόπων μεταφοράς. Μιλάμε για τη δημιουργία ενός τρένου μαγνητικής αιώρησης στο οποίο δεν θα υπάρχουν απολύτως απώλειες λόγω τριβής στην οδό. Ένα μοντέλο μήκους 400 μέτρων ενός τέτοιου υπεραγώγιμου δρόμου κατασκευάστηκε στην Ιαπωνία τη δεκαετία του 1970. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ένα τρένο με μαγνητική αιώρηση θα μπορεί να φτάσει ταχύτητες έως και 500 km/h. Ένα τέτοιο τρένο θα «αιωρείται» πάνω από τις ράγες σε απόσταση 2-3 cm, γεγονός που θα του δώσει την ευκαιρία να επιταχύνει στις καθορισμένες ταχύτητες.

Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται ευρέως αντηχεία υπεραγώγιμων κοιλοτήτων, ο παράγοντας ποιότητας των οποίων μπορεί να φτάσει το . Από τη μία πλευρά, τέτοιες συσκευές καθιστούν δυνατή την απόκτηση επιλεκτικότητας υψηλής συχνότητας. Από την άλλη πλευρά, οι υπεραγώγιμοι συντονιστές χρησιμοποιούνται ευρέως σε υπεραγώγιμους επιταχυντές, επιτρέποντας σημαντική μείωση της ισχύος που απαιτείται για τη δημιουργία ενός επιταχυνόμενου ηλεκτρικού πεδίου.

Οι εφαρμογές της υπεραγωγιμότητας μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία εξαιρετικά γρήγορων ηλεκτρονικών υπολογιστών. Μιλάμε για τα λεγόμενα κρυοτόνια - μεταγωγή υπεραγώγιμων στοιχείων. Τέτοιες συσκευές μπορούν εύκολα να συνδυαστούν με υπεραγώγιμα στοιχεία μνήμης. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των κρυοτρονίων έναντι των συμβατικών συσκευών ημιαγωγών είναι η απουσία ενεργειακών απαιτήσεων σε σταθερή κατάσταση. Μετά τη δημιουργία των κόμβων Josephson, προτάθηκε να αντικατασταθούν τα κρυοτόνια με αυτά και αποδείχθηκε ότι ο χρόνος μεταγωγής ενός τέτοιου συστήματος είναι περίπου 10 -12 δευτερόλεπτα. Αυτό είναι που ανοίγει ευρείες προοπτικέςγια τη δημιουργία των πιο ισχυρών υπολογιστών, αλλά μέχρι στιγμής αυτές οι εξελίξεις είναι μόνο εργαστηριακά δείγματα.

Πλέον υποσχόμενες κατευθύνσειςΟι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται ευρέως στην κρυοενέργεια και την κρυοηλεκτρονική. Η Cryoenergetics έχει ήδη αναπτύξει μια μέθοδο για την κατασκευή συρμάτων και καλωδίων αρκετά μεγάλου μήκους (έως και αρκετά χιλιόμετρα) με βάση τα υλικά HTSC βισμούθιου. Αυτό είναι ήδη αρκετό για την κατασκευή μικρών κινητήρων με υπεραγώγιμα τυλίγματα, υπεραγώγιμους μετασχηματιστές, επαγωγείς κ.λπ. Με βάση αυτά τα υλικά, έχουν δημιουργηθεί υπεραγώγιμα σωληνοειδείς που παρέχουν μαγνητικά πεδία της τάξης των 10.000 Gauss σε θερμοκρασία υγρού αζώτου (77 K).

Στην κρυοηλεκτρονική, έχει αναπτυχθεί μια τεχνική για την παραγωγή φιλμ SQUID, τα οποία στα χαρακτηριστικά τους πρακτικά δεν είναι κατώτερα από τα ανάλογα ηλίου τους. Έχει κατακτηθεί μια τεχνική για την παραγωγή τέλειων μαγνητικών οθονών από το HTSC, ιδίως για τη μελέτη βιομαγνητικών πεδίων. Από το HTSC δημιουργούνται κεραίες, γραμμές μετάδοσης, συντονιστές, φίλτρα, μείκτες συχνοτήτων κ.λπ.

Ο ρυθμός της τεχνολογικής και εφαρμοσμένης έρευνας είναι πολύ υψηλός, επομένως είναι πιθανό η βιομηχανία να κυριαρχήσει στην παραγωγή προϊόντων από υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας προτού αποσαφηνιστεί αξιόπιστα η φύση της υπεραγωγιμότητας σε ενώσεις μεταλλοξειδίου. Για την τεχνολογία, αυτό που είναι πρωτίστως σημαντικό είναι το ίδιο το γεγονός της ύπαρξης υλικών που είναι υπεραγώγιμα σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία. Ωστόσο, η κατευθυνόμενη και ουσιαστική κίνηση προς τα εμπρός, συμπεριλαμβανομένης της τεχνολογικής σφαίρας, είναι αδύνατη χωρίς μια ολοκληρωμένη μελέτη ήδη γνωστών HTSC, χωρίς να κατανοήσουμε όλες τις περιπλοκές της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας ως ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον φυσικό φαινόμενο.

ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΗΣ ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ

Σύμφωνα με τον νόμο ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, οποιοδήποτε ηλεκτρικό ρεύμα διεγείρει ένα μαγνητικό πεδίο γύρω του. Οι υπεραγωγοί μεταφέρουν ρεύμα χωρίς σχεδόν καμία απώλεια όταν διατηρούνται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (υπεραγωγιμότητα χαμηλής θερμοκρασίας - LTSC), καθιστώντας τους ιδανικό υλικό για την κατασκευή ηλεκτρομαγνητών. Στην ιατρική, μια τέτοια ιατρική διαγνωστική διαδικασία όπως η ηλεκτρονική τομογραφία χρησιμοποιείται ευρέως. Πραγματοποιείται σε σαρωτή χρησιμοποιώντας την αρχή του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) και ο ασθενής, χωρίς να το γνωρίζει, απέχει λίγα εκατοστά από υπεραγώγιμους ηλεκτρομαγνήτες. Είναι αυτοί που δημιουργούν το πεδίο που επιτρέπει στους γιατρούς να λαμβάνουν υψηλής ακρίβειας εικόνες διατομής του ανθρώπινου σωματικού ιστού χωρίς να χρειάζεται να καταφύγουν σε νυστέρι.

Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υπεραγώγιμα υλικά στην ηλεκτρική μηχανική είναι το κράμα νιοβίου-τιτανίου και η διαμεταλλική ένωση νιοβίου-κασσιτέρου. Τεχνολογικές διαδικασίεςη παραγωγή εξαιρετικά λεπτών νημάτων νιοβίου-τιτανίου και η σταθεροποίησή τους έχει επιτύχει πολύ υψηλό επίπεδοανάπτυξη. Κατά τη δημιουργία αγωγών πολλαπλών πυρήνων με βάση το νιόβιο-κασσίτερο, χρησιμοποιείται ευρέως η λεγόμενη τεχνολογία μπρούτζου.

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας υπεραγωγών συνδέεται επίσης με τη δημιουργία υγροποιητών και ψυγείων με ολοένα μεγαλύτερη ψυκτική ικανότητα σε επίπεδο θερμοκρασίας υγρού ηλίου. Η εξέλιξη της υπεραγώγιμης θερμοκρασίας μετάπτωσης έχει οδηγήσει στη δυνατότητα χρήσης ψυκτικών με ολοένα και υψηλότερα σημεία βρασμού (υγρό ήλιο, υδρογόνο, νέον, άζωτο).

Η υπεραγωγιμότητα βρίσκει την ευρύτερη πραγματική εφαρμογή της στη δημιουργία μεγάλων ηλεκτρομαγνητικών συστημάτων. Ήδη στη δεκαετία του '80. τον περασμένο αιώνα στην ΕΣΣΔ, εκτοξεύτηκε η πρώτη στον κόσμο εγκατάσταση θερμοπυρηνικής σύντηξης T-7 με υπεραγώγιμα πηνία σπειροειδούς μαγνητικού πεδίου.

Τα υπεραγώγιμα πηνία χρησιμοποιούνται επίσης για θαλάμους φυσαλίδων υδρογόνου, μεγάλους επιταχυντές στοιχειώδη σωματίδια. Η κατασκευή τέτοιων πηνίων για επιταχυντές είναι αρκετά δύσκολη, καθώς η απαίτηση για εξαιρετικά υψηλή ομοιομορφία του μαγνητικού πεδίου καθιστά απαραίτητη την αυστηρή τήρηση των καθορισμένων διαστάσεων.

ΣΕ τα τελευταία χρόνιαΤο φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην ανάπτυξη στροβιλογεννήτριων, ηλεκτροκινητήρων, ομοπολικών μηχανών, τοπολογικών γεννητριών, άκαμπτων και εύκαμπτων καλωδίων, συσκευών μεταγωγής και περιορισμού ρεύματος, μαγνητικών διαχωριστών, συστημάτων μεταφοράς κ.λπ. κατεύθυνση στην εργασία για την υπεραγωγιμότητα όπως η δημιουργία συσκευών για τη μέτρηση θερμοκρασιών, ρυθμών ροής, επιπέδων, πιέσεων κ.λπ.

Πηγή εργασίας: Απόφαση 3736. Ενιαία Κρατική Εξέταση 2017. Ρωσική γλώσσα. I.P. Τσιμπούλκο. 36 επιλογές.

(1) Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συσκευών που είναι τεχνικά αδύνατη ή οικονομικά ασύμφορη να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας παραδοσιακά υλικά αγωγών - χαλκό και αλουμίνιο. (2)<...>ισχυρά μαγνητικά συστήματα για εγκαταστάσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης ή επιταχυντές σωματιδίων, εξαιρετικά γρήγοροι περιοριστές ρεύματος, ιατρικοί τομογράφοι, φασματόμετρα υψηλής ανάλυσης, δείγματα πολλά υποσχόμενα στρατιωτικό εξοπλισμό, τα τρένα μαγνητικής αιώρησης δημιουργούνται χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα υλικά. (3) Οι συσκευές που κατασκευάζονται με χρήση υπεραγώγιμων υλικών χαρακτηρίζονται από σημαντικά μικρότερο μέγεθος και βάρος.

Ασκηση 1.Υποδείξτε δύο προτάσεις που αποδίδουν σωστά τις ΚΥΡΙΕΣ πληροφορίες που περιέχονται στο κείμενο. Γράψτε τους αριθμούς αυτών των προτάσεων.

2) Κατά τη δημιουργία ισχυρών μαγνητικών συστημάτων για εγκαταστάσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης ή επιταχυντές σωματιδίων, χρησιμοποιούνται μερικές φορές εξαιρετικά γρήγοροι περιοριστές ρεύματος, ιατρικοί τομογράφοι, φασματόμετρα υψηλής ανάλυσης, δείγματα πολλά υποσχόμενου στρατιωτικού εξοπλισμού, τρένα μαγνητικής αιώρησης, υπεραγώγιμα μέταλλα.

3) Για τη δημιουργία κατασκευών που δεν είναι πρακτικό να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας μόνο παραδοσιακά υλικά αγωγών - χαλκό και αλουμίνιο, χρησιμοποιούνται επίσης υπεραγωγοί.

5) Για την κατασκευή τέτοιων συσκευών, που πρέπει να έχουν μικρό όγκο και βάρος με ποικίλες λειτουργίες που εκτελούν, χρησιμοποιούνται αγωγοί.

Λύση.

Σε αυτή την εργασία, επιλέγουμε ΔΥΟ προτάσεις που αποδίδουν σωστά το πιο σημαντικό περιεχόμενο του κειμένου. Πιθανότατα, αυτές οι προτάσεις θα περιέχουν τις ίδιες πληροφορίες.

1. Επισημάνετε τις κύριες πληροφορίες του κειμένου.

(1) Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συσκευών που δεν είναι οικονομικά βιώσιμες να κατασκευαστούν από συμβατικούς αγωγούς (3) Αυτές οι συσκευές είναι μικρότερες σε μέγεθος και βάρος.

2. Βρίσκουμε προτάσεις στις οποίες αυτή η πληροφορία μεταφέρεται χωρίς παραμόρφωση ή λάθος.

1) Κατάλληλο.

2) Μεταδόθηκαν δευτερεύουσες πληροφορίες.

3) Όχι όλες οι πληροφορίες.

4) Κατάλληλο.

5) Όχι όλες οι πληροφορίες.

Εξέταση. Οι επιλεγμένες επιλογές πρέπει να περιέχουν τις ίδιες πληροφορίες.

1) Για τη δημιουργία συσκευών που είναι αδύνατη ή ασύμφορη να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας συμβατικούς αγωγούς, χρησιμοποιούνται υπεραγωγοί για να βοηθήσουν να γίνουν αυτές οι συσκευές πιο συμπαγείς και ελαφριές. (Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συσκευών που είναι αδύνατο ή ασύμφορο να κατασκευαστούν από συμβατικούς αγωγούς και οι υπεραγωγοί κάνουν επίσης τις συσκευές ελαφρύτερες και πιο συμπαγείς.)

4) Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συσκευών, η κατασκευή των οποίων από συμβατικούς αγωγούς είναι αδύνατη ή οικονομικά ασύμφορη και η χρήση υπεραγωγών καθιστά τις συσκευές λιγότερο ογκώδεις και βαριές. (Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συσκευών που είναι αδύνατο ή ασύμφορο να κατασκευαστούν από συμβατικούς αγωγούς και οι υπεραγωγοί κάνουν επίσης τις συσκευές ελαφρύτερες και πιο συμπαγείς.)

Σε απάντηση, γράψτε δύο αριθμούς χωρίς κενά ή κόμματα.

Διάλεξη 1.1.3. Υπεραγωγοί και κρυοαγωγοί

Υπάρχουν 27 καθαρά μέταλλα και περισσότερα από χίλια διαφορετικά κράματα και ενώσεις που μπορούν να μεταβούν σε υπεραγώγιμη κατάσταση. Αυτά περιλαμβάνουν καθαρά μέταλλα, κράματα, διαμεταλλικές ενώσεις και ορισμένα διηλεκτρικά υλικά.

Το 1911, όταν ένας δακτύλιος παγωμένου υδραργύρου ψύχθηκε σε θερμοκρασία 4,2 Κ, ο Ολλανδός επιστήμονας G. Kammerlingh-Onnes ανακάλυψε ότι η ηλεκτρική αντίσταση του δακτυλίου έπεσε ξαφνικά σε μια πολύ μικρή τιμή που δεν μπορούσε να μετρηθεί. Αυτή η εξαφάνιση της ηλεκτρικής αντίστασης, δηλ. η εμφάνιση άπειρης αγωγιμότητας σε ένα υλικό ονομάστηκε υπεραγωγιμότητα.

Η ιδιαιτερότητα των υπεραγωγών είναι ότι όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα προκληθεί σε ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα, θα κυκλοφορεί για μεγάλο χρονικό διάστημα (χρόνια) κατά μήκος αυτού του κυκλώματος χωρίς αισθητή μείωση της δύναμής του και, επιπλέον, χωρίς πρόσθετη παροχή ενέργειας από το εξωτερικό . Όπως ένας μόνιμος μαγνήτης, ένα τέτοιο κύκλωμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο.

Το 1933, οι Γερμανοί φυσικοί W. Meisner και R. Ochsenfeld ανακάλυψαν ότι οι υπεραγωγοί, κατά τη μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση, γίνονται ιδανικοί διαμαγνήτες. Επομένως, το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δεν διεισδύει στο υπεραγώγιμο σώμα. Εάν η μετάβαση ενός υλικού στην υπεραγώγιμη κατάσταση συμβαίνει σε ένα μαγνητικό πεδίο, τότε το πεδίο «σπρώχνεται έξω» από τον υπεραγωγό.

Εκτός από τον υδράργυρο, η υπεραγωγιμότητα είναι εγγενής και σε άλλα καθαρά μέταλλα (χημικά στοιχεία) και σε διάφορα κράματα και χημικές ενώσεις. Ωστόσο, μέταλλα όπως ο άργυρος και ο χαλκός δεν μπορούσαν να μετατραπούν σε υπεραγώγιμη κατάσταση στις χαμηλότερες θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται σήμερα.

Τα υπεραγώγιμα υλικά χωρίζονται σε μαλακά και σκληρά. Οι μαλακοί υπεραγωγοί περιλαμβάνουν καθαρά μέταλλα, με εξαίρεση το νιόβιο, το βανάδιο και το τελλούριο. Το κύριο μειονέκτημα των μαλακών υπεραγωγών είναι η χαμηλή τιμή της έντασης του κρίσιμου μαγνητικού πεδίου.

Στην ηλεκτρική μηχανική, οι μαλακοί υπεραγωγοί δεν χρησιμοποιούνται, καθώς η υπεραγώγιμη κατάσταση σε αυτά τα υλικά εξαφανίζεται ήδη σε ασθενή μαγνητικά πεδία σε χαμηλές πυκνότητες ρεύματος.

Οι ιδιότητες των στερεών υπεραγωγών ανακαλύφθηκαν στα μέσα του αιώνα μας και μέχρι σήμερα το πρόβλημα της έρευνας και εφαρμογής τους είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της σύγχρονης επιστήμης και τεχνολογίας.

Οι στερεοί υπεραγωγοί έχουν μια σειρά από χαρακτηριστικά:

· έχουν την τάση να διαχέουν ενέργεια όταν περνάει εναλλασσόμενο ρεύμα μέσα από αυτά.

· εξάρτηση των ιδιοτήτων της υπεραγωγιμότητας από τις τεχνολογικές συνθήκες κατασκευής, την καθαρότητα του υλικού και την τελειότητα της κρυσταλλικής δομής του.

Με βάση τις τεχνολογικές τους ιδιότητες, οι στερεοί υπεραγωγοί χωρίζονται στους ακόλουθους τύπους:

Σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται σύνθετα υπεραγώγιμα σύρματα, στα οποία ένας μεγάλος αριθμός λεπτών νηματωδών υπεραγωγών περικλείεται σε ένα τεράστιο κέλυφος από χαλκό ή άλλο μη υπεραγώγιμο υλικό.

Τα φιλμ υπεραγώγιμων υλικών έχουν ειδικές ιδιότητες:

· η κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης Tcr σε ορισμένες περιπτώσεις υπερβαίνει σημαντικά την Tcr των χύδην υλικών.

· μεγάλες τιμές των περιοριστικών ρευμάτων που διέρχονται από τον υπεραγωγό.

· μικρότερο εύρος θερμοκρασίας μετάβασης στην υπεραγώγιμη κατάσταση.

Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία: ηλεκτρικών μηχανών και μετασχηματιστών μικρής μάζας και μεγέθους με υψηλή απόδοση. καλωδιακές γραμμές για τη μετάδοση ενέργειας υψηλής ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. κυματοδηγοί με ιδιαίτερα χαμηλή εξασθένηση. συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και συσκευές μνήμης· μαγνητικοί φακοί ηλεκτρονικών μικροσκοπίων. επαγωγείς τυπωμένου κυκλώματος.

Οι περιελίξεις ηλεκτρομαγνητών από υπεραγωγούς καθιστούν δυνατή την απόκτηση των μέγιστων δυνατών τιμών της έντασης του μαγνητικού πεδίου.