Реферат: Реальные системы и фазовые переходы

Это странное явление получило название сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека сущность этого явления оставалась нерасшифрованной, из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела.

В одном из экспериментов в сделанном из чистого свинца кольце был наведен ток в несколько сотен ампер. Через год оказалось, что ток все еще продолжает идти в кольце, и величина его не изменилась, то есть сопротивление свинца было равно нулю! За открытие сверхпроводимости Камерлинг-Оннес был удостоен лауреата Нобелевской премии.

7.2 Электрон – фононное взаимодействие.

Явление сверхпроводимости и сверхтекучести представляют собой макроскопический квантовый эффект. Братья Фриц и Гейнц Лондон создали феноменологическую теорию сверхпроводимости. В 1950 году английский физик Герберт Фрелих разработал теорию сверхпроводимости, связав ее с электрон-фононным взаимодействием, поскольку электроны взаимодействовали через упругие колебания кристаллической решетки (которым и сопоставлялись квазичастицы - фононы). Рассмотрим подробнее механизм возникновения электронных пар, связанных силами притяжения, которые чаще называют куперовскими парам.

При движении электрона в сверхпроводнике при Т < Ткр. положительные ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки (пересечения пунктирных линий на рис.1), притягиваются к электрону, смещается от положения равновесия в его сторону. Последующее кулоновское отталкивание положительных ионов приводит к распространению по решетке упругой волны.

Второй электрон, находящийся достаточно далеко от первого, притягивается в его сторону смещающимся навстречу положительным ионом решетки. Подобное притяжение между парой электронов может возникать, даже если они находятся друг от друга на расстоянии, в тысячи раз превышающее период решетки (расстояние между соседними узлами). Движение электронов в паре перестает быть независимым. Благодаря притяжению между электронами в паре оно становится согласованным. Притяжение между электронами препятствует столкновению каждого из них в отдельности с ионами решетки. Электроны в сверхпроводнике (в отличие от обычного проводника) являются «единым коллективом» куперовских пар. Электрический ток в сверхпроводнике обусловлен согласованным движением  куперовских пар электронов. Чем сильнее взаимодействие электронов с решеткой, тем сильнее их притяжение друг к другу, тем легче образуются куперовские пары. Для хороших проводников (Ag, Cu, Au) это взаимодействие мало, поэтому такие проводники не переходят в сверхпроводящее состояние. При Т>Ткр. Хаотическое движение ионов доминирует над упорядоченным: куперовские пары разрушаются, и электроны движутся по кристаллу независимо, как в обычном проводнике. Сверхпроводящие свойства проводников исчезают при пропускании через них сильного электрического тока, создающего магнитное поле, разрушающее сверхпроводящее состояние сверхпроводников.

Учетные из Окриджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) продемонстрировали возможность сохранения эффекта сверхпроводимости в присутствии сильного магнитного поля. Таким образом, сделан очередной шаг, который может расширить практическое применение сверхпроводимости. Суть метода состоит в формировании в толще сверхпроводника своеобразных самосовмещенных линий из «наноточек», не обладающих свойством сверхпроводимости. Напомним, эффект сверхпроводимости возникает при низких температурах. За годы исследований ученым удалось повысить температуру, при котором явление имеет место, заменив охлаждение с использованием жидкого гелия, применявшегося в старых системах, на более практичное охлаждение с использованием жидкого азота. Тем не менее, для многих областей применения сверхпроводимости препятствием оставались магнитные поля. Проблема заключалась в том, что силы, возникающие между атомами сверхпроводника, заставляли их двигаться под действием магнитного поля, создавая электрическое сопротивление и вызывая рассеивание энергии. «Встраивая» в сверхпроводник «наноточки» - микроскопические порции вещества с низкой проводимостью - ученым удалось зафиксировать подвижные участки и обеспечить беспрепятственное прохождение тока сверхпроводимости. Результаты работы, выполненной в ORNL, повышают шансы на использование сверхпроводников в моторах, генераторах, системах противовоздушной обороны и других приложениях, где оно было ограничено негативным влиянием магнитных полей.

7.3 Сверхпроводники первого и второго рода.

По своим магнитным свойствам сверхпроводники делятся на сверхпроводники Ι и ΙΙ рода. К сверхпроводникам Ι рода относятся все элементы-сверхпроводники кроме ниобия. Ниобий, сверхпроводящие сплавы и химические соединения являются сверхпроводниками ΙΙ рода. Главное отличие этих двух групп сверхпроводников заключается в том, что они по-разному откликаются на внешнее магнитное поле. Основным препятствием для широкого применения металлических сверхпроводников является необходимость их эксплуатации  при сверхнизкой температуре. Использование для их охлаждения жидкого гелия при Т=4К создает значительные трудности и не всегда оправданно экономически. При сверхнизких температурах тепловое движение в веществе практически прекращается, и под воздействием электронов возникают слабые колебания атомов. Эти колебания, похожие на звуковые волны, но имеющие квантовый характер, советский физик Игорь Евгеньевич Тамм назвал фононами. Современная теория сверхпроводимости – БКШ – теория (Бардин, Купер, Шриффер – лауреаты Нобелевской премии за 1972 год) была опубликована в 1957 году.

Как можно понять из ее объяснения, она представляет собой микроскопическую теорию сверхпроводимости, основанную на тех же положениях, что и теория Ландау. В БКШ – теории исследованы также электра и термодинамические свойства сверхпроводников.  Поиск сверхпроводников с большой критической температурой привел к получению в 1988 – 1989 гг. высокотемпературных металлокерамических сплавов (Ba-Yt-Cu-O) и (Tl-Ca-Ba-Cu-O) с большой критической температурой (см. таблицу 1). Получение сверхпроводящих состояний для этих сплавов возможно с помощью недорогого и безопасного в эксплуатации жидкого азота, имеющего температуру кипения 77К. наибольшее наблюдавшееся значение Ткр составляет ~ 20К. В настоящее время усилия физиков направлены на получение сверхпроводников с критической температурой, близкой к комнатной. Эти сверхпроводники должны удовлетворять высоким требованиям к механической прочности и химической стабильности. Механизм сверхпроводимости у так называемых высокотемпературных сверхпроводников (сТк˜100К) пока не известен.

По крайней мере, один материал из числа вновь открытых и открываемых сверхпроводников можно изготовить под руководством учителя физики (и химии). Сверхпроводник состава Y-Ba-Cu-O. В качестве исходных компонентов понадобятся: окись иттрияY2O3, углекислый барий BaCO3 и окись CuO.

7.4 Рецепт изготовления сверхпроводника.

Рецепт:

1)Возьмите 1,13г. окиси иттрия, 3,95г. углекислого бария и 2,39г. окиси меди.

2)Перемешайте, а затем растолките в порошок в ступке.

3)Получившуюся смесь отожгите – продержите в печи при температуре 9500C приблизительно 12часов.

4)Охладите полученный комок, вновь растолките его в ступке.

5)Спрессуйте порошок в таблетки.

6)Снова отожгите получившиеся таблетки при той температуре и в течение того же времени, однако теперь с обязательной подачей в печь кислорода.

7)Медленно охладите таблетки – скорость понижения температуры не должна превышать 100град/ч.

7.5 Техника безопасности.

Замечания по технике безопасности.

Как сам материал сверхпроводника Y-Ba-Cu-O, так и исходные компоненты не относятся к числу ядовитых веществ. Однако при работе с ними необходимо соблюдать определенные правила. Нужно использовать защитные очки, перчатки, а при измельчении компонентов в ступке обязательно надевать марлевые повязки на рот. Вдыхать пыль углекислого бария и окиси меди вредно. Провидите все операции в помещении, оборудованном вытяжкой, - это, впрочем, обязательный элемент оборудования любой лаборатории. В том числе и в школьной.

Замечания к рецепту.

Указанные количества исходных компонентов позволяют получить примерно 7 грамм  сверхпроводника Y-Ba-Cu-O, или около 5 таблеток диаметром 1см. и толщиной 1мм.

Некоторые трудности, встречающиеся при изготовлении:

Исходные компоненты не относятся к числу редких веществ. Их можно найти в различных научных учреждениях, а также на многих предприятиях. Получить описываемый сверхпроводник можно по более простой схеме и из других компонентов. Однако лучше начинать с приведенного рецепта. Для отжига можно использовать печь, предназначенную для изготовления керамики. Такие печи есть во многих кружках керамики и в художественных студиях. Дело в том, что изготовляемый сверхпроводник так же представляет собой керамику, как и некоторые знакомые предметы домашнего обихода. Только нам нужна керамика – металл, поэтому таблетки будут получаться другого цвета – черные. Цвет керамического сверхпроводника – важный показатель его качества. Если он получится с прозеленью, значит, опыт изготовления был не удачен, и все надо начинать сначала (при этом можно измельчить получившиеся таблетки). Зеленый цвет свидетельствует о недостатке кислорода в образце. Желательно получить материал с химической формулой: Y-Ba2Cu3O7. Однако контролировать содержание кислорода по исходной смеси невозможно, к тому же кислород способен улетучиваться в процессе изготовления. Так что подача кислорода в печь при отжиге существенна. Сам кислород можно получить в научных, медицинских, производственных организациях (он используется, например, при сварке). Для подачи его в печь можно применить насос, который служи для накачки воздуха в аквариум. Скорость подачи кислорода может быть минимальной такой, что бы кожа ощущала легкое дуновение газа. Довольно существенно поддержание температуры отжига. Работа будет бесполезной, если температура отжига опускается ниже 900°С. Превышение рабочей температуры на 100° приведет к расплавлению смеси. Тогда придется ее вновь растолочь и начать все с начала. Так что надо предварительно проверить термометр печи, обычно он показывает далекие от истины значения. Очень важно медленно охлаждать изготовленные таблетки – быстрое охлаждение ведет к потере кислорода. Таким образом, первоначально цикл отжиг-охлаждение будет занимать 20 часов. Необходимо организовать ночные дежурства. При изготовлении понадобится также пресс. Оценка показывает, что нужно развивать усилие в 7 тысяч на таблетку диаметром около 1 см., чтобы получить хороший образец. По-видимому, таблетки можно прессовать даже с помощью самодельного винтового пресса. Стоит обратить внимание также на выбор тигля, в котором отжигается материал. Металлический тигль может реагировать со сверхпроводником, иногда с нежелательными последствиями. К тем же последствиям могут привести примеси в смеси исходных материалов. Например, 2-3% примеси атомов железа вместо меди ведут к подавлению сверхпроводимости.

Страницы: 1, 2, 3, 4