Сверхпроводимость

Сверхпроводящие сплавы используются для получения сверхмощных постоянных магнитов. В отличие от  обычного электромагнита сверхпроводник не нуждается во внешнем источнике питания, поскольку протекающий в нем ток не испытывает электрического сопротивления.

Другим примером применения сверхпроводников является клистрон-управляющий  элемент в электрических цепях. На проводник, по которому течет электрический ток, наматывается несколько витков также сверхпроводящей проволоки, но обладающей более высоким значением критического поля Н. Меняя ток в витках, можно создать критическое поле в управляемом сверхпроводнике.

Много исследований посвящается  вопросу  об использовании сверхпроводников при создании вычислительных машин. Сверхпроводящий ток является незатухающим. Это позволяет использовать его в качестве идеального запоминающего  устройства, хранящего большие и легко считываемые запасы информации.

Скорость “вспоминания” сверхпроводящих устройств значительно превышает возможности человеческого мозга. Они в состоянии всего лишь за 10^-6 сек выбрать нужную  информацию из 10¹¹ ее единиц.

В вычислительной технике  используется двоичная система. Двойственность сверхпроводников (они могут находиться или в нормальном, или в сверхпроводящем состоянии), быстрота их перехода под действием температуры или магнитного поля из одного состояния в другое позволяют использовать их в качестве элементов вычислительных машин. И в качестве переключающих устройств, работающих с очень высокой  скоростью при малых затратах мощности, сверхпроводники идеальны.

Одно из таких устройств  – так называемый проволочный криотрон. Слово ”криотрон” греческого происхождения (cryo- холод). Изобретен этот прибор американским ученым Баком. Прибор состоит из проволоки, сделанной, например, из свинца или тантала, по которой протекает сверхпроводящий  ток .Эта проволока называется клапаном. На нее намотана более тонкая – из ниобия. Катушка, образованная этим тонким проводом, называется управляющей. При протекании по ней достаточно большого тока сверхпроводимость  в клапане разрушается.

Ниобий был выбран в  качестве материала, из которого изготовляется управляющий провод, по той простой причине, что сверхпроводимость сохраняется в нем при достаточно сильных магнитных полях. Критические поля свинца или тантала, образующих клапан, являются весьма малыми, и сверхпроводимость в них поэтому разрушается при пропускании в ниобиевой катушке достаточно слабого тока.

Сопротивление в клапане  меняется при этом скачком от нуля до некоторого конечного значения. Уменьшением тока в управляемом проводе снова восстанавливается сверхпроводящие состояния свинца или тантала. 

Скорость переключения в  криотронах достигает двух наносекунд (2*10^-9сек). Высокая скорость в сочетании с простотой устройства и лежит в основе использования сверхпроводящих криотронов в вычислительной технике. ЭВМ, использующая сверхпроводящие устройства, выделяется своей необычной компактностью.

Вполне возможным является создание миниатюрного сверхпроводящего  триода. Его можно представить себе состоящим всего из трех наклеенных друг на друга металлических пленок, причем роль сетки обычной радиолампы играет средняя полоска , в которой регулируется ток и создаваемое им магнитное поле.

Сверхпроводник, в  толщу  которого не проникает магнитное поле, всегда окружен магнитной “подушкой”. Эффект механического отталкивания используется для создания опор без трения. Сверхпроводящая сфера благодаря диамагнитному эффекту висит над кольцом, в котором циркулирует незатухающий ток. Сила тяжести при этом уравновешивается магнитной “подушкой”, создаваемой сверхпроводящим током. Оказывается, что могут “парить” довольно тяжелые предметы. Так, в одном из опытов был подвешен свинцовый  цилиндр весом 5 кг.

Устройство, в котором  используется описанное явление, называется сверхпроводящим подвесом. Такие подвесы могут использоваться в гироскопах, моторах и в ряде других устройств. Принцип механического отталкивания положен в основу создания электрических машин, к.п.д.  которых  благодаря замечательным свойствам сверхпроводников равна 99,3%.  В этих  машинах ротор выполнен в виде  шестиугольного сверхпроводящего стаканчика. Два магнитика, вращающиеся по окружности статора, отталкивают от себя магнитной  “подушкой” сверхпроводящий ротор. Последний при этом приходит во вращение, скорость которого доходит до 20 000 об/мин и в принципе может быть увеличена до большого значения.

Самая заманчивая  перспектива  использования эффекта механического  отталкивания связана с работами по созданию “сверхпроводящей“ железной дороги. Японцы первыми создали модель железной дороги  на магнитной подушке с вагонами ,в которых находятся сверхпроводящие магниты. Вагон весом 2 т и размером 4х1,5х0,8 м двигался над путепроводом со скоростью 50 км/час. Длина пути составляла 400 м. Далее путь увеличили до 7 км. Транспорт на “магнитной подушке“ может двигаться со скоростью 500 км/ час.

Сверхпроводящие трансформаторы получили широкое применение из-за отсутствия в них тепловых потерь. Сверхпроводящие трансформаторы при большой мощности (до 1000000 кВт) оказываются значительно более компактными по сравнению с обычными.

В них можно не использовать сталь в качестве магнитного материала. Создаваемые сверхпроводниками  магнитные поля намного превосходят  значения напряженности, реализуемые в стальных материалах.

В последнее время в  радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие  объемные резонаторы. Добротность резонатора   обратно пропорциональна электрическому сопротивлению его стенок. Ясно, что применение сверхпроводников, не обладающих электрическим сопротивлением, является с этой  точки  зрения весьма  перспективным. Так, обычный прямоугольный свинцовый резонатор при Т = 300⁰К и частоте 10¹⁰ Гц имеет добротность Q=2*10³. Тот же резонатор, находящийся в сверхпроводящем состоянии (Т=4,20К), характеризуется добротностью, достигающей Q= 4*10⁸.

Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Может использоваться в космическом корабле для создания магнитной  противорадиационной защиты.

Квантование магнитного потока  в сверхпроводниках используется для  создания магнитометров для измерения  слабых магнитных полей. Приборы такого вида называются  сквидами. Они фиксируют  изменения потока

Например, если площадь сечения  сквида равна 0,1 см², то можно измерять поля ~10^-10 э.

Сквид представляет собой два тонких сверхпроводящих полуцилиндра, полученных напылением на катушку. Эти полуцилиндры соединены тонким мостиком, образующим слабую связь. Квантование этого магнитного потока приводит  к ступенчатому характеру зависимости потока от внешнего магнитного поля. Это изменение потока генерирует сигнал в резонансном колебательном контуре. С помощью этих сигналов и регистрируются слабые изменения магнитного поля.

  Сквиды используются для снятия  магнитокардиограмм, т.е. для исследования  сигналов от магнитного поля, создаваемого  при работе сердца пациента. Сквид располагается в криостате, на расстоянии нескольких сантиметров от сердца пациента. Регистрируются резкие сигналы, идущие от сердца. Этот метод важен для медицинских исследований.

     Квантование  магнитного потока может быть  использовано для создания пространства, в котором вообще отсутствует магнитное поле. Если охладить цилиндр, внутри которого имеется слабое магнитное поле, до температуры ниже критической, то внутри цилиндра “заморозится” некоторый магнитный поток. Если после этого мы начнем постепенно увеличивать радиус цилиндра, то число квантов потока не изменится, но увеличение площади сечения повлечет за собой соответствующее уменьшение напряженности поля. Если использовать несколько вложенных друг в друга цилиндров. то  описанным путем можно в конце концов добиться того, что во внутреннем цилиндре не будет содержаться ни одного кванта потока. Таким образом, возникает область, не содержащая магнитного поля, т.е. создается идеальный магнитный экран.

Интересным прибором является также сверхпроводящий болометр. Он предназначается для измерения радиации в инфракрасной области спектра. Основной частью такого болометра является тонкая проволока из сверхпроводника, находящаяся при температуре, близкой к критической. Под

действием падающей радиации, которая поглощается металлом, температура повышается и становится больше Т_к. При этом сверхпроводимость разрушается, и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление. Это приводит к легко регистрируемому падению напряжения. Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором. Порог чувствительности его составляет 10^-10–10^-12 Вт.

Техническая сверхпроводимость  находится в развитии и составляет часть технической физики.

Заключение

Эффект сверхпроводимости  применяется во многих отраслях человеческой деятельности. Исследование способов увеличения  критического магнитного поля позволяет создавать сверхпроводники, имеющие возможность пропускать высокие токи. На электростанциях  достаточно давно применяются криотурбогенераторы, способные увеличивать мощность станций примерно на 40%. С явлением сверхпроводимости неразрывно связан наблюдаемый в жидком гелии эффект сверхтекучести. Жидкий гелий является уникальной жидкостью, часто его называют квантовой жидкостью, так как многие его макросвойства являются прямым отражением событий, происходящих на уровне атомов и элементарных частиц. Открытие сверхпроводимости было бы невозможно без создания технологии сжижения гелия. Особое применение имеет эффект Мейсснера—свойство отталкивания использоваться в создании магнитной подушки, применяемой в создании многих новых видов транспорта. Сверхпроводимость имеет также огромное значение для более глубокого понимания процессов, происходящих на уровне внутреннего строения атомов.

Таким образом, фундаментальные  исследования сверхпроводимости привели  к развитию новой области техники - прикладной сверхпроводимости, ставшей  одним из решающих факторов научно-технического прогресса.

Список  используемой литературы

1. Калимов А.Г. Физические основы сверхпроводимости. 2007  -  103 стр.
2. Физические свойства металлов и сплавов / Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. М.: Металлургия, 1980  - 320 с.
3. Кресин В.З.Сверхпроводимость и сверхтекучесть. М.:Наука,1978. - 214 стр.
4. Регалин С.М. Введение в теорию сверхпроводимости. 1981 г. - 156 стр.
5. Материаловедение: уч. для ВУЗов. Под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.
6. Шубин А.С.Курс общей физики.М.:Высшая школа,1976.
7. Эдельман К.М. «Физика низких температур», 1992 г. - 230 стр.