Учреждение образования Международный государственный экологический институт имени А.Д. Сахарова БГУ Реферат на тему ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ Подготовила студентка гр.А71МЕД1 Романчик Анастасия Минск, 2018 Оглавление Введение................................................................................................... 3 Открытие Беднорц и Мюллера. ............................................................. 4 Свойства ВТСП. ...................................................................................... 6 Применение. .......................................................................................... 10 Заключение ............................................................................................ 13 Список литературы: .............................................................................. 14 2 Введение Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто в 1911 году, однако практическое использование этого явления началось в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений. В связи с тем, что критические температуры этих материалов не превышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотря на дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок, МГДгенераторов. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странах началось массовое производство диагностических медицинских ЯМРтомографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых оценивается в несколько млрд. долларов. Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковых устройств, поскольку стоимость хладоагента и затраты на поддержание необходимой температуры снижаются в 50-100 раз. Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30 вплоть до комнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температура повышена с 30 - 130 К. 3 Открытие Беднорц и Мюллера. 17 апреля 1988 исполнилось два года, как в редакцию журнала Zeitschrif fur Physik поступило сообщение из Швейцарии Мюллера и Беднорца (рис 1.) под скромным названием «Возможная высокотемпературная сверхпроводимость в Ва-La-Cu-O системе». Вслед за этим появилось сообщение американских ученых работавших в лаборатории фирмы Белл, об обнаружении сверхпроводимости при 36К в соединении . После этого сообщения стало ясно , что работа Беднорца и Мюллера открыла новое направление в физике твердого тела – физику оксидных высокотемпературных проводников. Значимость этой работы состоит не только в том, что в ней был развеян миф о пределе со стороны высоких температур для области существования явления сверхпроводимости (ранее считалось что это предел составляет около 30К). Было показано, что металлические оксидные соединения являются именно теми объектами, среди которых можно обнаружить сверхпроводники с высокими значениями критической температуры Тс. Вообще, соединения лантана, у которых впервые была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость, ранее были синтезированы в СССР и 4 Франции, и лишь отсутствие измерений ниже температуры жидкого азота задержало на несколько лет открытие у них сверхпроводимости. Справедливости ради стоит отметить, что еще за 10 лет до работы Беднорца и Мюллера, в 1975 г., было синтезировано соединение Ва (Pb Bi) O с относительно невысокой критической температурой 13К. это соединение по своим характеристикам (плотности электронов проводимости, спектру колебаний решетки, структуре) существенно отличалось от большинства известных ранее сверхпроводников. Лишь теперь по прошествии времени ясно что это соединение не только открывало новый класс оксидных сверхпроводников, но и являлось прототипом большинства соединений, созданных после работ Мюллера и Беднорца. Первые работы буквально всколыхнули весь научный мир, оксидными соединениями начали активно заниматься в лабораториях всех стран. Одно за другим появлялись всё новые и новые открытия в этой области. Уже через полгода, в первой половине 1978 года была синтезирована так называемая система 123 А . Критическая температура этой си- стемы составляла 91-95 К и незначительно изменяется от металла А. в качестве металла может быть любой из лантанидов. Рис 2. На рисунке 2 представлена кристаллографическая структура . В данной структуре присутствуют две плоскости, содержащие атомы меди и кислорода (Сu - O), которые расположены перпендикулярно оси С и вытянутых вдоль цепочек атомов Сu – О. Предполагается что именно эти образования ответственны за возникновение сверхпроводимости в этом соединении. Затем в течении 1988 года происходит синтез висмутовых и таллиевых соединений с критической температурой 100 и 125 К и в ней опять отчетливо 5 видны плоскости атомов Сu и O. В связи предпринимаются попытки связать величину критической температуры с количеством двумерных плоскостей. так к примеру соединение имеется одна плоскость и критиче- ская температура этого соединения две и критическая температура , в системе 123 таких плоскостей =2*40. Однако, несмотря на это дан- ное предположение, является чисто эмпирическим и четкой теоретической основы не получила. Интересным фактом является то, что появление большого количества работ по данному направлению обусловлено простой методикой изготовления сверхпроводников, которая может быть осуществлена в любой, даже школьной лаборатории. Суть методики заключается в том, что в качестве исходных веществ могут быть использованы представители разных классов химических соединений: окиси, гидроокиси, оксалаты, карбонаты, нитриды. В требуемой пропорции компоненты перетираются со спиртом и затем прокаливается при температуре 850-950 градусов Цельсия для того чтобы перевести металлы в окиси. Перетирание и предварительный отжиг повторяются несколько раз, затем перетертый продукт прессуется в образец под давлением несколько килобар и окончательно отжигается при температуре 950 градусов в течении нескольких часов в слабой струе кислорода. После этого образец медленно охлаждается в течении почти 10 часов в кислороде при комнатной температуре. В области температур 400-500 градусов охлаждение образца приостанавливается на несколько часов для улучшения насыщенного образца кислородом. Свойства ВТСП. Как, уже было сказано выше, после открытия Беднорца и Мюллера в научном мире возник невиданный до того ажиотаж. Все стремились, какнибудь прикоснуться к этим необычным веществам, поскорее получить какой-нибудь результат и сообщить об этом окружающим. Это было тем более легко сделать, поскольку технология изготовления новых соединений оказалась простой. Из-за ажиотажа в первый год после открытия в литературе появилось много научных публикация рассчитанных на минутный успех. Лишь со второй половины 1987 года началось более систематическое исследование проводников нового класса. 6 В результате этих работ было с большой достоверностью установлено, что макроскопические свойства новых оксидных сверхпроводников в основном не отличаются от свойств хорошо изученных ранее гелиевых сверхпроводников. Эксперименты показали, что и у этих веществ квант магнитного потока , напряжение с точностью до ступенек Шапиро тоже равно .это свидетельствует и том что в но- вом классе сверхпроводников перенос заряда осуществляется парами. Отличие новых сверхпроводников появилось при измерении их критического магнитного поля – поля, разрушавшего сверхпроводимость. Оказалось, что у этих веществ наблюдается необычайно большое значение , которое вблизи превосходило значение миллион эрстед. Вот некоторые значения веществ. Соединение 12 38 91 81 125 при максимальное значение 50 145 165 4,5-6 35 230 400 130 70-80 130 230 Оксиды обладали значительной кристаллографической анизотропией магнитного поля. В зависимости от того было направлено внешнее магнитное поле вдоль или перпендикулярно оси С, величина ток раз. Соответственно определённая отличалась в десяпо соотношению длина когерентности оказывалась различной вдоль и перпендикулярно оси С. Наибольшее различие, до 40 раз, наблюдается в - соединении, у которого вдоль оси С . Вдоль оси C длина когерентности существенно меньше размеров решетки этого соединения. Магнитные характеристики сверхпроводящих образцов из новых веществ в области малых полей казались следованиям мгновенного установления магнитного поля намагниченность приходит к стационарному значению 7 лишь через длительное время, достигавшее иногда несколько часов. Зависимость от температуры поля разрушающего сверхпроводимость, имела необычный вид. Наблюдатель периодическая зависимость от поля сопротивления образца в области перехода. В отдельных опытах был зафиксирован факт начала проникновения внешнего поля в образец в очень малых полях. В дальнейшем стало понятно, что совокупность этих явлений обусловлена особенностями структуры исследовавшихся образцов новых сверхпроводников. Для примера обратимся к керамическим образцам. По технологии изготовления такие образцы представляют собой отдельные гранулы сверхпроводника, объединенные в единую систему путем химической реакции между гранулами во время отжига. По сравнению с внутренней частью гранул на границе между ними сверхпроводящие характеристики подавлены. Это связано с тем, что во время отжига примеси из гранул на их поверхность, границы зёрен не столь совершенны. Тем самым керамический образец можно рассматривать как систему из многих сверхпроводниковых частиц, объединенных слабыми джозефновскими связями. Магнитные свойства такой системы гораздо сложнее, чем у однородного образца, так как они определяются многими факторами: различной величиной критического тока для разных контактов между гранулами, захваченными между контактами квантами магнитного потока, наличием многих квазиравновесных состояний. Поскольку в этой системе распределение гранул и контактов носит нерегулярный характер, её принято называть сверхпроводящим стеклом. В рамках этой модели можно объяснить большинство магнитных свойств керамических образцов. Например, периодическую зависимость от величины внешнего магнитного поля кривой перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние в нормальное состояние можно связать с захватом и квантованием магнитного поля в области между гранулами. Стоит отметить, что одним из неожиданных свойств оксидных соединений типа явилась независимость критической температуры от того, будет ли элемент A в соединении магнитным или немагнитным. Ранее было хорошо известно, что наличие ничтожной концентрации магнитной примеси (порядка 1%) приводит у обычных сверхпроводников к существенному уменьшению . Этот эффект обусловлен тем, что в результате взаи- модействия с магнитным моментом примеси, вследствие изменения направления спина электрона пара разрывается и выбывает из сверхпроводящего 8 конденсата. (спины электронов пары имеют взаимно противоположенное направление.) В оксидных сверхпроводниках этого явления не наблюдалось. Более того, опыт показал, что электроны проводимости и атомы элемента A с магнитными моментами образуют как бы две независимые системы: электроны переходят в сверхпроводящее состояние, а магнитные моменты атомов при соответствующей температуре - в упорядоченное магнитное состояние, обычно антиферромагнитное. Качественно объяснить это свойство высокотемпературных соединений можно предположив, что проводящие (а затем сверхпроводящие) электроны образуют двумерную систему, на которую магнитные атомы, расположенные вне её, оказывают лишь слабое из-за относительно большого расстояния возмущающее действие. Учитывая, что у всех этих соединений велико, магнитное поле атомов, должно лишь незначительно уменьшать величину . Представление о наличии системы двумерных электронов позволяет, по крайней мере, качественно многие свойства высокотемпературных сверхпроводников. Следует, однако, ясно представить себе, что до настоящего времени это остается не более чем предположением, нуждающимся в экспериментальном подтверждении. Опыты показывают, что во всех изученных до настоящего времени оксидных сверхпроводниках имеет место дырочная проводимость. Как хорошо известно, проводимость вещества возникает, если волновые функции электрона различных атомов решетки перекрываются. Тогда возникает общая для всего кристалла зона проводимости. Весьма вероятно, что в оксидных сверхпроводниках происходит перекрытие волновых функций внешних электронов атомов кислорода. Несмотря на то, что к настоящему времени известно не менее десятка различных подходов к объяснению высокотемпературной сверхпроводимости, единая точка зрения на эту проблему пока не существует. Связано это с тем, что собранный экспериментальный материал, посвящённый исследованию тех свойств сверхпроводников, которые могли бы служить для выяснения справедливости того или иного теоретического построения, недостаточен, а подчас и противоречив. Обусловлено это тем, что всё новые оксидные соединения состоят из большого количества различных атомов, местоположения которых в кристаллографической решетке существенно влияет на ха9 рактеристики соединений. Более того, из этих соединений сложно приготовить совершенные монокристаллические образцы – стандартный объект физического исследования. Связанно это с тем, что температура плавления этих соединений превосходит 1000 и лежит в той области, где начинается их химическое разложение. Все эти обстоятельства усложняют получение надежных результатов. Применение. Теперь рассмотрим области применения высокотемпературных сверхпроводников. Бурный темп развития работ по высокотемпературной сверхпроводимости, помимо чисто научного интереса, был связан с надеждами на широкое использование этого явления в практических целях. Обычные сверхпроводники, критическая температура которых не превышала 23К, уже использовались ранее для решения различных прикладных задач. Условно все эти применения можно разделить на два основных направления: криоэнергетика и криоэлектроника. В криоэнергетике используется свойство сверхпроводников, заключающееся в равенстве нулю электрического сопротивления. Это приводит к тому, что ток через провод из сверхпроводника не сопровождается тепловыми потерями. Однако передача тока по сверхпроводникам хоть и выглядит заманчивым в виду отсутствия потерь, не является энергетически выгодным вариантом, потому как эксплуатация таких линии требует больших затрат. Поэтому сверхпроводники использовались в более компактных схемах. Это установки для получения больших магнитных полей, которые необходимы для работы магнитоплазменных генераторов, так и для создания установок управляемого термоядерного синтеза. В таких установках необходимые магнитные поля в несколько десятков тысяч эрстед объёме нескольких кубических метров. В криоэлектронике используется в основном явление квантования магнитного потока в контуре сверхпроводника и свойства переходов Джосевсона. В этой области существенный прогресс достигнут в ряде направлений, таких как разработка новых быстродействующих элементов вычислительной техники, создание приборов, регистрирующих электромагнитное излучение, изменение ранее сверхпроводники. К примеру, можно сказать о сверхпроводниковом магнитометре СКВИДе. (с английского СКВИД – SQUID – произошло от английского 10 Super conducting Quantum Interference Device – сверхпроводящий квантовый интерфереционный датчик.) Основным элементом СКВИДа является контур из сверхпроводника с одним или двумя переходами Джосефсона. Магнитный поток в контуре квантуется, и характеристики контура периодически зависят от изменения внешнего магнитного поля Н с периодом. Изменение характеристик контура регистрируется с помощью связанной с ним электронной схемы. Использую высокотемпературные сверхпроводники, удалось создать магнитные экраны, работающие при температуре жидкого азота. Эти экраны практически полностью изолируют исследуемый объект от внешних магнитных полей (экранировка поля достигает раз), что существенно для многих исследований. Интересным фактом является что потребовалось менее двух лет для того что бы высокотемпературную сверхпроводимость начали применять на практике. С момента открытия сверхпроводимости в 1911 году учёные постепенно подняли температуру перехода в сверхпроводящее состояние до удобных для промышленности величин. Теперь необычные материалы перемещаются из лабораторий в повседневную жизнь. К примеру, японский поезд на магнитной подушке MLX-01, курсирующий вместе с собратом MLX-02 по двухпутной опытной ветке длиной в 18 километров, достигает скорости в 581 километр в час. Позднее эта ветка станет частью коммерческой линии Токио-Осака. MLX используют для создания эффекта левитации катушки из высокотемпературных сверхпроводников. 11 Или американская компания American Superconductor. Как пишет BBC News, короткие секции кабелей American Superconductor, способных нести в 150 раз больший ток, чем медный проводник того же размера, уже работают в городе Колумбус (Columbus), в Огайо. А вскоре в строй должен вступить 800-метровый силовой кабель, также от American Superconductor, который будет участвовать в передаче нагрузок в энергосистеме острова Лонг-Айленд (Нью-Йорк). Я приношу извинения за то что отклонюсь от темы (хотя отклонение не так значительно) и расскажу о прорыве в области сверхпроводимости не высокотемпературной. Это двигатель 36.5 HTS. 36.5 HTS motor обладает мощностью на валу в 36,5 мегаватт (49 тысяч лошадиных сил), развиваемых при 120 оборотах в минуту!!!! В обмотке ротора здесь используются сверхпроводники BSCCO и Bi-2223 (оксид сложного состава на основе висмута), которые работают при температуре 35-40 градусов по Кельвину. Охлаждаются они газообразным гелием, подводимым через полый вал к ротору машины. Статорная обмотка этого мотора не сверхпроводящая – она выполнена из меди и имеет простое жидкостное охлаждение. Однако она также отличается от обмоток обычных электромоторов. Например, внутри неё нет привычного железного сердечника. Сверхмощное поле ротора и так прекрасно "насыщает" статор, через который, к слову, пропускается весьма малая доля общего тока, потребляемого этим гигантом. КПД HTS motor на полной мощности превышает 97%, а на одной трети нагрузки и вовсе приближается к 99%. Заметим, обычные электромоторы некоторых типов также могут показывать КПД порядка 95-97%. В чём же разница? Дело в том, что такую высокую эффективность они выдают далеко не во всём диапазоне оборотов и нагрузки, а во многих режимах движения "проваливаются" до более скромных величин КПД – примерно в 85-88%. Сверхпроводящий же мотор показывает столь приличный КПД начиная с 5% от максимальной скорости и до максимальных своих оборотов (а значит, и скорости корабля). 12 Таким образом, на низких нагрузках HTS motor, приводящий корабельный винт, экономит судну более 10% топлива, сжигаемого в газотурбинных генераторах или дизель-генераторах, либо 10% потребляемой из корабельной сети электрической мощности, если на судне — атомная силовая установка. Добавим, что в озвученном выше КПД HTS motor уже учтены энергозатраты на работу криогенной системы охлаждения. Однако главным преимуществом своих морских электромоторов American Superconductor считает даже не экономичность, а малые габариты и массу. Модель мощностью 36,5 мегаватт весит 69 тонн и имеет толщину в 3,4 метра, ширину 4,6 метра, а высоту 4,1 метра. Традиционный "медный" электромотор с теми же выходными параметрами имел бы массу порядка 200-300 тонн, а габариты — примерно вдвое большие. Для судна средних размеров эта разница — не пустяк. Уменьшив размеры машинного отделения, можно лишний объём отдать под груз, пассажиров или боеприпасы (если речь идёт о военном корабле). Да и экономию веса в 130-230 тонн можно пустить на что-нибудь полезное. Кроме того, HTS motor работает намного тише обычного электромотора той же мощности. Так, по информации компании, 25-мегаваттная 60-тонная версия HTS motor шумит на полной скорости с силой всего в 48 децибелов – иной настольный компьютер громче. Заключение Высокая токонесущая способность и низкие потери, вкупе с компактностью, надежностью и экологической безопасностью делают ВТСПустройства незаменимыми для создания современной электроэнергетической инфраструктуры: генераторы, трансформаторы, силовые кабели, синхронные компенсаторы, ограничители токов короткого замыкания, накопители энергии. ВТСП-ленты имеют перспективы при создании новых транспортных технологий, включая низкооборотные корабельные двигатели и системы магнитного подвеса для скоростных поездов. С использованием ВТСПматериалов изготавливают мощные индукционные нагреватели и двигатели для обрабатывающей промышленности, компактные устройства неинвазивной диагностики для медицины. Как можно видеть, ВТСП-ленты позволяют улучшать характеристики или создавать оборудование не имеющее аналогов для применения в самых различных областях деятельности. 13 Список литературы: 1. Физика «открытие высокотемпературной сверхпроводимости» 1989/1 изд.дом «Знание» Москва. Статьи Беднорца и Мюллера. 2. «Сверхпроводники в электроэнергетике (ВТСП для Авиации)» том 4, выпуск 5. 2007 год. 3. Работа «Малая энергетика» д.т.н, член корреспондента РАН, зав.кафедрой Санкт-петербургского государственного университета аэрокосмического приспособления Л.И. Чубраевой 4. Журнал «Наука и жизнь» №8, 1997 5. «Газета ученого совета марийского государственного университета» (тема электричество, №9, 2001, страница 56) 6. РФФИ «Школа прикладной сверпроводимости» 14
