XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сверхпроводники: преимущества и недостатки

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бренчак К.В. 1

---

1МАОУ "СОШ№4"

Тишкова И.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ№4"

Работа в формате PDF

2.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение: Сверхпроводники – это материалы, электрическое сопротивление которых при достижении температуры ниже определённого значения, приравнивается нулю.

Актуальность проекта: Сегодня сверхпроводимость - это одна из наиболее изучаемых областей физики, явление, открывающее перед инженерной практикой серьёзные перспективы. Большое распространение получили приборы, основанные на явлении сверхпроводимости, без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни космонавтика.

Проблема: Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий двадцатого столетия и заключается в способности некоторых веществ при очень низких температурах проводить электричество без сопротивления, т.е. становиться сверхпроводниками. Но сверхпроводники все ещё не обнаруживаются в большей части бытовой электроники. Учёные работают над созданием сверхпроводников, которые могут работать при комнатной температуре.

Цель проекта: определить способы применения, свойства, преимущества и недостатки сверхпроводников

Задачи проекта:

1. Изучить свойства сверхпроводников

2. Выявить виды и свойства сверхпроводников

3. Выяснить, где применяются сверхпроводники

4. Провести опыт, показывающий зависимость сопротивления от температуры

1. Теоретическая часть

1.1. Немного из истории :

Явление сверхпроводимости впервые было открыто 8 апреля 1911 г. голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннес. Исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры, Хейке неожиданно обнаружил,что при 3 Кельвинах (около -270^оС) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г., когда им была создана криогенная лаборатория. Главной целью учёного было выяснение минимального сопротивления вещества электрическому току от уменьшения разного вида примесей и максимального уменьшения температуры. В 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий. В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово.

Впоследствии были открыты и другие сверхпроводники.

1.2. Типы и виды сверхпроводников:

По критической температуре сверхпроводники разделяются на низкотемпературные и высокотемпературные.
Температурой разделения является температура кипения азота, которая составляет 77,4 K (-195,75°C).

По отклику сверхпроводников на магнитное поле они бывают сверхпроводниками I рода и сверхпроводниками II рода.
Сверхпроводники I рода по достижению единственного определённого значения напряжённости магнитного поля (т.н. критического магнитного поля, H_c) теряют свою сверхпроводимость. До этого значения магнитное поле огибает сверхпроводник, а свыше его – проникает внутрь и проводник теряет свою сверхпроводимость.

У сверхпроводников II рода имеется два критических значения магнитного поля H_c1 и H_c2. При приложении магнитного поля первого критического значения H_c1 происходит частичное проникновение магнитного поля в тело сверхпроводника, однако сверхпроводимость сохраняется. Выше второго значения критического поля H_c2, сверхпроводимость разрушается полностью. В магнитных полях от первого до второго критического значения в сверхпроводнике существует вихревая структура магнитного поля.
По материалу сверхпроводники подразделяются чистые элементы, сплавы, керамику, сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и прочие.

1.3. Пары Купера. Теория БКШ:

Только в 1957 году три американских исследователя - Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали микроскопическую теорию сверхпроводимости.
Согласно их теории БКШ, электроны группируются в пары посредством взаимодействия с колебаниями решетки, образуя таким образом куперовские пары, которые движутся внутри твёрдого тела без трения. Твёрдое тело можно рассматривать как решётку положительных ионов, погруженных в облако электронов.
Когда электрон проходит через эту решётку, ионы слегка двигаются, притягиваясь отрицательным зарядом электрона. Это движение генерирует электрически положительную область, которая, в свою очередь, привлекает другой электрон. Энергия электронного взаимодействия довольно слабая, и пары могут быть легко разбиты тепловой энергией - поэтому сверхпроводимость обычно возникает при очень низкой температуре.

Тем не менее, теория БКШ не дает объяснения существованию высокотемпературных сверхпроводников при температуре около 80 K (-193 ° C) и выше, для которых необходимо задействовать другие механизмы связи электронов. На вышеописанном процессе и основывается применение явления сверхпроводимости.

1.4. Эффект Мейснера

Эффект Мейснера означает полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом. Однако не у всех сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейснера. Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный – сверхпроводниками второго рода. Стоит отметить, что в низких магнитных полях полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников.
Отсутствие магнитного поля в объёме сверхпроводника означает, что электрический ток протекает только в поверхностном слое сверхпроводника.

1.5 Объяснение сверхпроводимости

Сверхпроводимость является следствием объединения макроскопического числа электронов проводимости в единое квантово-механическое состояние. Особенностью связанных в такой ансамбль электронов является то, что они не могут обмениваться энергией с решёткой малыми порциями, меньшими, чем их энергия связи в ансамбле.

Это означает, что при движении электронов в кристаллической решётке не изменяется энергия электронов, и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым сопротивлением.

1.6. Применение в современном мире:

Сверхпроводники в современном мире используются в следующих областях:

– для получения сильных магнитных полей

– в электрических кабелях и линиях электропередач (ЛЭП).

– в мощных генераторах тока и электродвигателях

– в измерительных приборах

– в маглеве (поезде на магнитной подушке)

– быстродействующие вычислительные устройства

– детекторы магнитного поля и излучений

– аппараты магнитно-резонансной топографии(МРТ)

2. Практическая часть

   1. Измерение влияния температуры на проводимость тока.

Цель опыта: выявить зависимость тока от температуры и доказать

Гипотеза: Понижение сопротивление проводника при более низких температурах зависит от рода вещества, параметров проводника, из которого изготовлен проводник.

Оборудование: медная проволока разного диаметра (1,5 мм,2 мм, 4мм), нихромовая проволока (0,5 мм), мультиметр, термометр, 2 штатива, соединительные провода.

Вычисления:

1. R0 =pL/S

2. Понижение сопротивления в процентах R= ((R к – Rн) / R к) * 100%

3. Качество понижения сопротивления: К=R1/R3

4. Рассчитаем температурный коэффициент сопротивления каждого проводника по формуле R=R0 (1+at), откуда α=((R/R₀) −1) /t, где R₀ – расчётное сопротивление проводника по параметрам, R - сопротивление, измеренное при самой низкой температуре.

Выводы:

1. Я убедилась на опыте, что температурный коэффициент «а» зависит не только от температуры, но и параметров проводника.

2. Сопротивление проводника зависит от температуры проводника. У всех проводников с понижением температуры понижается сопротивление.

3. Сопротивление проводника зависит от температуры и параметров проводника. Самый значительный процент понижения произошёл у третьего проводника с наибольшей площадью поперечного сечения.

4. Понижение сопротивление проводника при более низких температурах зависит от рода вещества, из которого изготовлен проводник.

Заключение

Исследуя проводники с малой площадью поперечного сечения, рассчитав качество понижения, можно определить, проводник из какого вещества быстрее уменьшит своё сопротивление при понижении температуры, именно такой проводник и стоит взять, возможно добавив примеси и смотреть по качеству охлаждения, чтобы при не сильно низких температурах он переходил в сверхпроводящее состояние. С моей точки зрения я вижу решение проблемы получение сверхпроводящих свойств проводника через исследование качества понижения сопротивления проводника.