Методические материалы, статьи

Сверхпроводимость: что нового?

Этот борид понравился бы и Нильсу Бору

Впервые сверхпроводимость была обнаружена в 1911 году в опытах с ртутью. Ее электрическое сопротивление исчезало при 4,2 Кельвина. Позднее список сверхпроводников пополнили многие химические элементы, сплавы и соединения. Их поведение оставалось загадкой вплоть до пятидесятых годов, когда странный эффект получил теоретическое объяснение. При чрезвычайно низких температурах электроны в этих материалах преодолевают взаимное отталкивание и образуют устойчивые пары. Они движутся сквозь кристаллическую решетку, не сталкиваясь с атомами и не теряя энергию.

В 1986 году был открыт керамический материал, который достигал сверхпроводящего состояния при очень высокой критической температуре -135 К. Этот материал состоял из бария, ртути, меди и кислорода. Однако он не вполне оправдал ожидания, поскольку из-за своей хрупкости с трудом поддавался обработке.

Теперь у физиков новый фаворит — борид магния. Сотрудники японского Университета Аоямы Гакуина обнаружили, что этот борид становится сверхпроводником при 39 К. Их коллеги из американской лаборатории Эймса попробовали напылить магний на волокна бора. Эффективность таких проводков оказалась раз в двадцать выше, чем сверхпроводников на основе ниобия. Вот только попытки повысить критическую температуру с помощью разных примесей пока не принесли никакого результата.


Прощай, медная проволока!

Прощай! Тебя уносит в прошлое, в ту страну забытых вещей, где еще ставят на стол чернильницу-непроливайку, достают гусиное перо, а по медным проводкам все так же бежит электрический ток, накаливая лампы бра и торшеров.

Тебя не будет, паутина меди, покрывшая изнутри все механизмы. Сколько энергии поглощала ты, когда по тебе перекатывался ток электронов! Как принижала любой КПД! И вот планы изобретателей, что расправа с тобой. В ХХI веке тебя потеснят керамические сверхпроводники. Ведь они могут передавать электричество без потерь, а значит, использовать электрическую энергию куда эффективнее, чем теперь.

Сверхпроводящая керамика BSCСO — в ее составе: висмут, стронций, кальций, медь и кислород — была впервые получена еще в 1986 году, но лишь теперь стала применяться. Конечно, все дело было в температуре. Для нормальной работы этот сверхпроводник нужно охладить до -196 градусов Цельсия, а значит, без хитростей тут не обойтись.

Так вот эту керамику стали выпускать в виде… нет, не проводков, а тонкой ленты вроде скотча. Ленту наматывают на трубку, по которой течет жидкий азот, охлаждающий ее до нужной температуры. Фирма «American Superconductor» уже изготовила электродвигатель мощностью 1000 лошадиных сил, где в обмотках электромагнитов вместо медных проводов использованы керамические ленты. Мотор получился на треть легче обычного, да и заметно уменьшился в размерах; зато создается более мощное магнитное поле.

Испытания нового двигателя прошли успешно. Теперь та же самая фирма намерена разработать сверхпроводящие двигатели мощностью от 5000 до 33500 лошадиных сил. Их испытания будут вестись как на заводах, так и на кораблях американского ВМФ. По оценкам экспертов, использование подобных двигателей сулит США ежегодную экономию в миллиарды долларов.


Без серебра не обойтись

При контакте сверхпроводникового материала с обычным проводником первый теряет свои качества. Однако ученые из Калифорнийского университета во главе с Робертом Дайнсом столкнулись с противоположным эффектом.

Как известно, при чрезвычайно низких температурах электроны в сверхпроводниках преодолевают взаимное отталкивание и образуют устойчивые пары. Если же сверхпроводник контактирует с обычным материалом, то электроны последнего проникают в сверхпроводник, что понижает его критическую температуру. Кроме того, свободные электроны разрушают уже существующие пары.

Однако есть металл, который очень эффективно связывает электроны. Это — серебро. Дайнс и его коллеги покрыли серебром несколько пленок из сверхпроводящего материала. В результате критическая температура немного повысилась. Набольшего эффекта ученые добились в опыте с пленкой, покрытой слоем серебра толщиной 0,3 нанометра. Ее критическая температура повысилась с 1,6 до 1,9 Кельвина. Дайнс окрестил этот феномен «эффектом соседства».

Разумеется, этот эффект незначителен и на первый взгляд не имеет практического применения. Однако ученые намерены проверить, не наблюдается ли тот же эффект в опытах с керамическими сверхпроводниками, чья критическая температура намного выше.


Решение было таким органичным

Химики называют органическими материалами соединения углерода с другими элементами. Как правило, они не проводят электрический ток и используются в качестве изоляторов. Открыватели же первых полимеров, проводящих ток, — Алан Хиджер, Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава — были удостоены Нобелевской премии.

Тем временем обнаружились полимеры с совершенно необычными свойствами: органические сверхпроводники. Правда, до их промышленного применения пока далеко, ведь они теряют электрическое сопротивление лишь при температуре -260 градусов Цельсия и давлении 2000 бар. При таком давлении в материале образуются широкие каналы, сквозь которые беспрепятственно перетекают электроны.

Первый из таких материалов был открыт в 1980 году датским химиком Клаусом Бехгаардом и французским физиком Дени Жеромом. Он содержал селен. В состав самых известных органических полимеров входят соли на основе серы.

Любопытна их структура. В керамике, например, чередуются изолирующие и проводящие слои. Поэтому керамические сверхпроводники называют «двумерными». А вот в солях Бехгаарда ток течет только вдоль цепочки проводящих молекул, которая тянется через весь кристалл. Их называют «одномерными». На такие материалы уже не распространяется теория Л.Д. Ландау, который рассматривал движение электронов в твердых телах как своего рода течение жидкости, состоящей из отдельных частиц.

Изучение подобных полимеров — пусть они и не находят пока промышленного применения — поможет лучше понять свойства керамических сверхпроводников. Почему все-таки критическая температура последних так высока?

Известно, что электроны в них, как и в других сверхпроводниках, образуют пары. У металлов и их сплавов это наблюдается лишь при температурах ниже -250 градусов Цельсия. При более высоких температурах электронные пары распадаются. А вот в керамике такого не происходит. Как полагают, тут начинают действовать магнитные силы, скрепляющие пары электронов.

«Похоже, что в органических сверхпроводниках между электронами тоже действуют магнитные силы», — считает немецкий исследователь Йохен Восница. Однако ученые пока не могут детально описать протекающие при этом процессы.



См. также:
Курсы английского языка для школьников в центре «Милленниум»
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Авторазбор, контрактные запчасти, купить двигатель - авторазбор Авто-Контракт 8(923.. Использование материалов возможно только для наших ПАРТНЕРОВ. У словия и программа сотрудничества для партнерства описаны тут. Все фотографии представлены для ознакомления не являются образцами товара высылаемый Покупателю.

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005