Реальные системы и фазовые переходы (150823)

Посмотреть архив целиком


Оглавление.


  1. Введение……………………………………………………………..2

  2. Фазовые переходы первого и второго рода………………………..4

  3. Идеальный газ……………………………………………………….7

  4. Реальный газ………………………………………………………....8

  5. Молекулярно – кинетическая теория критических явлений….….9

  6. Сверхтекучесть……………………………………………………..11

  7. Сверхпроводимость………………………………………………..13

    1. Открытие сверхпроводимости………………….…...13

    2. Электрон – фононное взаимодействие……………..14

    3. Сверхпроводники первого и второго рода………...16

    4. Рецепт изготовления сверхпроводника…………….17

    5. Техника безопасности……………………………….18

    6. Эффект Майснера……………………………………20

  1. Заключение………………………….……………………….22

  2. Список литературы………………………………………….25

  1. Введение.


Фазами называют однородные различные части физико-химических систем. Однородным является вещество, когда все параметры состояния вещества одинаковы во всех его объемах, размеры которых велики по сравнению с межатомными состояниями. Смеси различных газов всегда составляют одну фазу, если во всем объеме они находятся в одинаковых концентрациях.

Одно и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в одном из трех агрегатных состояний – жидком, твердом или газообразном. В зависимости от внешних условий может находиться в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах. В окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазовые переходы воды. Например: испарение, конденсация. Существуют такие условия давления и температуры, при которых вещество находится в равновесии в различных фазах. Например, при сжижении газа в состоянии равновесия фаз объем, может быть каким угодно, а температура перехода связана с давлением насыщенного пара. Температуры, при которых происходят переходы из одной фазы в другую, называются температурами перехода. Они зависят от давления, хотя и в различной степени: температура плавления – слабее, температура парообразования и сублимации – сильнее. При нормальном и постоянном давлении переход происходит при определенном значении температуры, и здесь имеют место точки плавления, кипения и сублимации (или возгонки.). Сублимация - это переход вещества из твердого состояния в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от солнца, почти вся ее масса сосредоточена в ее ядре, имеющем размеры 10-12 километров. Ядро, окруженное небольшой оболочкой газа – это так называемая голова кометы. При приближении к Солнцу ядро и оболочки кометы начинают нагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации – уменьшается. Вырывающиеся из ядра кометы газы увлекают за собой и твердые частицы, голова кометы увеличивается в объеме и становится газопылевой по составу.

  1. Фазовые переходы первого и второго рода.


Фазовые переходы бывают нескольких родов. Изменения агрегатных состояний вещества называют фазовыми переходами первого рода, если:

1)Температура постоянна во время всего перехода.

2)Меняется объем системы.

3) Меняется энтропия системы.

Чтобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества пообшить определенное количество тепла, соответствующего скрытой теплоте превращения. В самом деле, при переходе конденсированной фазы в фазу с меньшей плотностью нужно сообщить некоторое количество энергии в форме теплоты, которое пойдет на разрушение кристаллической решетки (при плавлении) или на удаление молекул жидкости друг об друга (при парообразовании). Во время преобразования скрытая теплота пойдет на преобразование сил сцепления, интенсивность теплового движения не изменится, в результате температура останется постоянной. При таком переходе степень беспорядка, следовательно, и энтропия, возрастает. Если процесс идет в обратном направлении, то скрытая теплота выделяется. К фазовым переходам первого рода относятся: превращение твердого тела в жидкое (плавления) и обратный процесс (кристаллизация), жидкого - в пар (испарение, кипение). Одной кристаллической модификации - в другую (полиморфные превращения). К фазовым переходам второго рода относится: переход нормального проводника в сверхпроводящее состояние, гелий-1 в сверхтекучий гелий-2, ферромагнетика – в парамагнетик. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний, выделяются своей способностью сильно намагничиваются и долго сохранять состояние намагниченности. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля – это парамагнетики. Фазовые переходы второго, третьего и так далее родов связаны с порядком тех производных термодинамического потенциала ∂ф, которые испытывают конечные измерения в точке перехода, Такая классификация фазовых превращений связана с работами физика - теоретика Пауля Эрнеста (1880 -1933). Так, в случае фазового перехода второго рода в точке перехода испытывают скачки производные второго порядка: теплоемкость при постоянном давлении Cp=-T(∂ф2/∂T2), сжимаемость β=-(1/V0)(∂2ф/∂p2), коэффициент теплового расширения α=(1/V0)(∂2ф/∂Tp), тогда как первые производные остаются непрерывными. Это означает отсутствие выделения (поглощения) тепла и изменения удельного объема (ф - термодинамический потенциал).

Состояние фазового равновесия характеризуется определенной связью между температурой фазового превращения и давлением. Численно эта зависимость для фазовых переходов даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса: p/T=q/TV. Исследования при низких температурах – очень важный раздел физики. Дело в том, что таким образом можно избавиться от помех связанных с хаотическим тепловым движением и изучать явления в “чистом” виде. Особенно важно это при исследовании квантовых закономерностей. Обычно из-за хаотического теплового движения происходит усреднение физической величины по большому числу её различных значений и квантовые скачки “смазываются”.

Низкие температуры (криогенные температуры), в физике и криогенной технике диапазон температур ниже 120°К (0°с=273°К); работы Карно (работал над тепловым двигателем) и Клаузиуса положили начало исследованиям свойств газов и паров, или технической термодинамике. В 1850 году Клаузиус заметил, что насыщенный водяной пар при расширении частично конденсируется, а при сжатии переходит в перегретое состояние. Особый вклад в развитие этой научной дисциплины внес Реню. Собственный объем молекул газа при комнатной температуре составляет примерно одну тысячную объема, занимаемого газом. Кроме того, молекулы притягиваются друг к другу на расстояниях, превышающих те, с которых начинается их отталкивание.

  1. Идеальный газ.


Идеальный газ, идеализированная модель газа; в идеальном газе силы взаимодействия между частицами (атомами, молекулами) пренебрежимо малы. К идеальным газам близки разряженные реальные газы при температурах, далеких от температуры и конденсации. Зависимость давления идеального газа от его температуры и плотности выражается уравнения Клапейрона, (Клаперона-Менделеева уравнение), найденная Б.П. Э. Клапейроном (1834) зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением р, объемом V, и абсолютной температурой Т): PV=BT, где коэффициент В зависит от массы газов М и его молекулярной массы. Для одного моля идеального газа pV=RT, где R-газовая постоянная. Если молярная масса газа μ, то pV=M/μ *RT.

  1. Реальный газ.


Реальный газ, отличается от идеального газа существованием взаимодействия между его частицами (молекулами, атомами). При малых плотностях наличие межмолекулярного взаимодействия учитывается вириальным уравнением состояния реального газа: pV=RT[1+B (T)/υ+C(T)/υ2+…], где р - давление, υ – молярный объем, Т – абсолютная температура, R – газовая постоянная, В(Т), С(Т) и так далее – вириальные коэффициенты, зависящие от температуры и характеризующие парные, тройные и так далее взаимодействия частиц в газе. Существуют и другие полуэмпирические и теоретические уравнения состояния реальных газов, например: уравнение Ван дер Ваальса (нидерландского физика), предложенное Ван дер Вальсом (1873г) уравнение состояния реального газа, учитывающее конечность объема молекул и наличие межмолекулярных сил притяжения; для одного моля газа имеет вид: (р+а/V2) (v-b)=RT, где р – давление, V – объем одного моля, T – абсолютная температура, R – универсальная газовая постоянная, a и b постоянные, характеризующие взаимодействие молекул данного вещества. Третье начало термодинамики: по мере приближения температуры к 0K. Энтропия всякой равновесной системе при изотермических процессах перестает зависеть от каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе (T=0K) принимает одну и туже для всех систем постоянную величину, которую можно принять равной нулю. Третье начало предсказывает вырождение идеальных азов при низкой температуре. Как показало развитие квантовой статистики, такое вырождение действительно имеет место. Оно указывает на недостаточность классической механики и основанной на ней классической статистики в области низких температур. Квантовая статистика показывает, что третье начало термодинамики является микроскопическим проявлением квантовых свойств реальных систем при низких температурах. Свойства реальных систем изучались экспериментально.

  1. Молекулярно – кинетическая теория критических явлений.


Вскоре после открытия закона Бойля – Мариотта (произведение объема данной массы идеального газа на его давление постоянно при постоянной температуре; установлен независимо Р. Бойлем (1660г) и Э. Мариоттом (1676г)) были обнаружены отклонения от него: нидерландский физик Мартин Ван Марум установил, что при давлении 7 атмосфер газообразный аммиак переходит в жидкое состояние; примерно тогда же Лавуазье отметил роль охлаждения в изменении состояния газов. В середине прошлого века появились попытки учесть эти отклонения количественно, чтобы ввести поправки, но все они были случайными и не связывались с критическими состояниями газов. Ван-дер-Ваальс показал глубинную связь между жидким и газообразным состояниями вещества, объяснил их непрерывный переход друг в друга и развил молекулярно-кинетическую теорию критических явлений. Его теория позволила предсказать существование неустойчивых состояний вещества. После создания Гиббсом статистической механики наглядная теория Ван-дер-Ваальса была переведена на строгий математический язык. Гиббс дал развернутое изложение метода термодинамических потенциалов и его применение к анализу равновесия. С позиции своего метода он единым образом исследовал законы образования новой фазы, дал знаменитое правило фаз (в термодинамике: число равновесно сосуществующих в какой либо системе фаз не может быть больше числа образующих эти фазы компонентов плюс, как правило, 2). Установлено Дж. У. Гиббсом в 1873-1876гг, рассмотрел поверхностные и электрохимические явления, многокомпонентные системы и тому подобные. Развивая метод Гиббса, Дюгем в своих работах ввел термин «термодинамический потенциал». Гиббс пришел к идее введения таких функций после исследования поведения функции (Е-ТS+pV), когда заметил, что условие устойчивого равновесия сводится к равенству б(Е-ТSV)=0. Экстремальные значения этой функции оказались необходимыми и достаточными условиями равновесия систем при изобарно - изотермических процессах. В последствии эту функцию назвали изобарно – изотермическим потенциалом, или потенциалом Гиббса. Затем Гиббс установил, что термодинамические свойства системы можно описать еще тремя функциями, обладающими свойствами потенциалов – внутренней энергией (диабатический потенциал) и тепловой функцией (энтальпия). В химической термодинамике важен и химический потенциал, введенный Гиббсом.

С точки зрения статистической механики вывод уравнения состояния сводится к нахождению новой функции состояния свободной энергии F=E-TS как функции параметров p,T,V. Тогда уравнение состояния находится как p=-II±IVIT. Нужно было найти свободную энергию системы, вычислив соответствующий интервал, что было непростой задачей. Гиббс понимал, что для полного описания системы, даваемого термодинамическими потенциалами, нужно знание молекулярной структуры и характера взаимодействия частиц. Поэтому он разработал метод нахождения статистических аналогов для изотермического и химического потенциалов. Метод Гиббса был пригоден для любых систем, но математические трудности того времени не позволяли уйти от идеализированных моделей.


6. Сверхтекучесть.


В 1945 году известный советский математик и физик-теоретик Н. Н. Боголюбов, разработавший более совершенный метод решения проблем статистической физики, привел уравнения состояния реальных газов в виду: p=(NkT/V)(1=NB1(T)/V+N2B2/V2+N3B3/V3+…..), где B – функции температуры, называемые вириальными коэффициентами, которые определяются по законам взаимодействия молекул. при низких температурах становится возможным наблюдать микроскопические квантовые явления – сверхпроводимость и сверхтекучесть. Сверхтекучесть – это свойство квантовых жидкостей – течь без трения. Впервые обнаружено в 1938 году советским ученым П.Л.Капицей в жидком гелии. При температурах ниже 2,17 К вязкость гелия обращается в ноль, и он свободно протекает через очень узкие капилляры. Теоретическое объяснение явления сверхтекучести было дано в 1941 году советским ученым Л.Д.Ландау (Ландау Лев Давидович (1908 - 1968), российский физик-теоретик, основатель научной школы, академик АН СССР (1946), Герой Социалистического Труда (1954)). Труды во многих областях физики: магнетизм; сверхтекучесть и сверхпроводимость; физика твердого тела, атомного ядра и элементарных частиц, физика плазмы; квантовая электродинамика; астрофизика и др.

Автор классического курса теоретической физики (совместно с Е. М. Лифшицем). Ленинская премия (1962), Государственная премия СССР (1946, 1949, 1953), Нобелевская премия (1962). По теории Ландау, необычность гелия состоит в следующем: жидкий гелий существует в двух формах. В области температур от 4,2 до 2,18 К (так называемая - точка) он ведёт себя как классическая жидкость – это гелий. Ниже - точки он состоит, как бы из двух жидкостей одна ведёт себя как гелий-1, другая проявляет свойства сверхтекучести – проводит тепло без потерь, то есть. Её теплопроводность равна бесконечности. Не оказывает сопротивления течению, или имеет нулевую вязкость, - это гелий-2. В - точке происходит фазовый переход между состояниями гелия. Относительное количество каждой из компонент гелия зависит от температуры, причем его можно определить измерением силы, действующей на предмет, движущийся в жидкости. Опыты показывают, что при температуре ниже 1К практически весь гелий, находящийся в сверхтекучем состоянии. Атомы жидкого гелия образуют единую квантовую систему, энергию и импульс которой можно изменить только сразу на конечную величину, скачком. Поэтому до определенной скорости жидкий гелий течёт без трения, не замечая препятствий, - обладает свойством сверхтекучести. Сверхтекучесть является коллективным эффектом. Атомы гелия имеют целый (нулевой) спин и поэтому скапливаются в одинаковых состояниях. В результате квантовые свойства каждой частицы усиливаются. Спин. Элементарные частицы – это маленькие вращающиеся волчки. Они характеризуются моментом количества движения, или, кратко, угловым моментом. Согласно квантовой механике, угловой момент системы может принимать не любые значения: его скачки равняются постоянной Планке ħ (1,054*10-34*Дж*с), угловой момент элементарных частиц естественно измерять в единицах Планке. Момент, измеренный в таких единицах, называется спином. Спин гелия-4 атома гелия равен нулю, является бозоном, подчиняется статистике Бозе-Энштейна и поэтому не подчиняется запрету Паули (Согласно принципу Паули: в каждом квантовом состоянии может находиться только один электрон.), а изотоп гелия гелий-3, являющийся фермионом, подчиняется запрету Паули и не дает явления сверхтекучести. При понижении температуры гелия энергия его атомов, естественно, уменьшается. При какой-то очень низкой температуре все они окажутся в самом низком энергетическом состоянии, поскольку запрет Паули для них не применим. И будут иметь одинаковые волновые функции. Атомы сверхтекучего гелия ведут себя согласованно, как единое целое. Беспорядка в этой системе нет, энтропия равна нулю.


7. Сверхпроводимость.


Сверхпроводимость – весьма необычный феномен, отличающийся от всего того, к чему мы привыкли. Буквально это явление из иного мира. Мы живем в классическом мире, а сверхпроводимость явление квантовое, но в макроскопических масштабах. Например, волновые функции в квантовой механике вводят искусственно, а в сверхпроводимости они выступают естественным образом как измеримые величины.


7.1 Открытие сверхпроводимости.

свойства сверхпроводников

применение

Создание магнитного поля

Передача электроэнергии

Обработка информации

Нулевое электрическое сопротивление

+

+

+

Большие передаваемые токи

+

+

-

Большое магнитное поле

+

-

-

Фазовый переход

-

-

+

Квантовые эффекты

-

-

+














Сверхпроводимость наблюдалась впервые при охлаждении ртути в 1911 году голландским ученым Гейке Каммерлинг-Оннесом. Исследования в области низких температур, первоначально имевшие чисто практическую направленность, при температуре 7,2 K сопротивление свинцового проводника внезапно снизилось в миллионы раз и практически исчезло.

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.

Что можно делать с изготовленными таблетками?

Можно убедиться в резком падении сопротивления при сверхпроводящем переходе. Однако с помощью стандартных приборов вряд ли удастся по величине сопротивления отличить сверхпроводящий образец от медного. Экспериментально сверхпроводимость можно наблюдать, включив в общую электрическую цепь звено из сверхпроводника. В момент перехода в сверхпроводящее состояние разность потенциалов на концах этого звена обращена в ноль. Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека сущность этого явления оставалась не расшифрованной, из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела. Гораздо нагляднее демонстрация эффекта Майснера. В любом случае для охлаждения понадобится жидкий азот. (Майснер Вальтер Фриц (1882-1974гг.), немецкий физик).


7.6 Эффект Майснера.


Директор лаборатории низких температур Баварской Академии Наук. В 1932 году совместно с Р. Хольман наблюдал Эффект туннелирования между двумя сверхпроводниками, совместно с другим обнаружил эффект, названный его именем. Эффект Майснера, вытеснение магнитного поля из металлического проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние открыт в 1933 году немецкими физиками В. Майснером и Р. Оксенфельдом. До 1993 года считалось, что сверхпроводник – это и есть идеальный проводник. Но вот Майснер и Оксенфельд поставили опыт и обнаружили, что это не так! Оказалось, что при Т < Ткр поле в образце равно нулю (В=0, где В – индукция) всегда, независимо от пути перехода к условию Т < Ткр при наличии внешнего магнитного поля. Это было чрезвычайно важное открытие. Ведь если В=0 независимо от предыстории образца, то это равенство можно рассматривать как характеристику сверхпроводящего состояния, которое возникает при Н < Нст. Но тогда можно рассматривать переход в сверхпроводящее состояние и использовать для исследования сверхпроводящей фазы вещества всю мощь термодинамического подхода.


8. Заключение.


Сверхпроводимость – явление занимательное. Изучая необычные и впечатляющие свойства сверхпроводников, физики глубже проникают в тайны устройства материи. Инженеры стремятся сделать сверхпроводники своим оружием заставить их работать. Сверхзадача для сверхпроводников – передача их полезных свойств объектам новой техники. Сверхпроводники – это новый класс проводниковых материалов с экстраординарными свойствами, ибо у них отсутствует омическое сопротивление. Плотности токов, пропускаемых по сверхпроводникам, можно увеличить до 103-104А/мм2, то есть они будут в тысячи раз больше, чем по меди или алюминию. Сверхпроводящие материалы не только широко используются при конструировании магнитов в исследовательских целях, но и имеют большое практическое применение. Ожидается, что в недалеком будущем на смену громоздким мачтам электропередачи придут подземные электропроводящие линии. В Японии в 1988 году построен опытный образец железной дороги со сверхпроводящей магнитной подвеской, пока ее длина 8 километров. Суть ее в том, чтобы поезд (либо вагон) двигался без колес. Держать же вагон над дорогой и двигать его вперед должно магнитное поле, которое создают установленные в днище вагона сверхпроводящие магниты. Железнодорожный путь представляет совой полосу из уложенных перпендикулярно движению металлических стержней, в которых наводится управляемая с помощью ЭВМ волна тока, бегущая под вагоном и перед вагоном. Взаимодействие тока с магнитным полем одновременно тянет вагон вперед и поддерживает просвет между дном вагона и дорогой.

Сверхпроводящий магнит, сверхпроводящий магнитометр прибор для измерения магнитных полей и их градиентов, (векторов g,показывающих наискорейшего возрастания данного скалярного поля φ (Р), где Р – точка пространства; обозначается g=grad φ (Р).) действие которых основано на эффекте Джозефсона. Протекание сверхпроводящего тока через тонкий (~10А) слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона). Эффект предсказал Б. Джозефсон (1962 г.). На его основе создан сверхпроводящий квантовый интерферометр (сквид), с помощью которого уточнены значения ряда фундаментальных физических постоянных. Эффект Джозефсона используется в криогенных приборах; контакты Джозефсона применяются также в качестве быстродействующих логических элементов ЭВМ. В 1962 году появилась статья никому до этого не известного автора Б. Джозефсона, в которой теоретически предсказывалось существование двух удивительных эффектов. Эти эффекты следовало ожидать в туннельных сверхпроводниковых контактах. Первый эффект заключается в том, что через туннельный переход возможно протекание сверхпроводящего (бездиссипативного) тока (сверхтока). Предсказывалось, что критическое значение этого тока будет весьма причудливым образом зависеть от внешнего магнитного поля. Если ток через такой переход станет источником высокочастотного электромагнитного излучения. Это – второй эффект Джозефсона. Вскоре доказано экспериментально. Чувствительность сверхпроводящих магнитометров достигает 10-15 Тл (10-15 Гс). Нобелевский комитет присудил премию по физике 2003 года двум русским ученым и американцу за объяснение феноменов сверхтекучести и сверхпроводимости. Члены Нобелевского комитета, заседающие в Шведской королевской академии наук, отметили наградой российского профессора Виталия Гинзбурга из физического института имени Лебедева РАН (Москва, Россия), российского же профессора Алексея Абрикосова из Аргоннской национальной лаборатории (Аргонн, Иллинойс, США) и профессора Энтони Дж. Леггетта (университет Иллинойса, Урбана, Иллинойс, США). Как написано в официальном пресс-релизе Нобелевского комитета, они внесли решающий вклад в объяснение двух феноменов квантовой физики: сверхпроводимости и сверхтекучести. В этом году размер премии составил $1,2 млн. Абрикосов Алексей Алексеевич. Родился 25 июня 1928 года, через три года после окончания второй мировой войны стал выпускником МГУ им. Ломоносова. После этого в течение 17 лет проработал в Институте физических проблем АН СССР.


Список литературы:



Случайные файлы

Файл
16447.rtf
129069.rtf
77393-1.rtf
48938.rtf
18084-1.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.