ФЭНДОМ


Сверхпроводимость

Сверхпроводимость (англ. Superconductivity) — способность материала проводить электрический ток с нулевым сопротивлением; это позволяет избежать потерь энергии, затрачиваемой на нагрев проводника.

ОписаниеПравить

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов передавать электричество без сопротивления, а значит, без потерь электрической энергии на нагрев провода. Причиной этого является проявление законов квантовой физики, а не обычное снижение электрического сопротивления с температурой. Сверхпроводящие материалы также обладают уникальными магнитными свойствами.

В современной цивилизации на сверхпроводимости основаны многие направления в энергетике, транспорте и межзвездных перелетах. В дополнение к этому многие специализированные технологии типа сверхсветовой связи или производства компьютерных гиперсхем были бы невозможны без применения сверхпроводимости.

История открытияПравить

В 1911 году, когда была открыта сверхпроводимость, считалось, что эта особенность материи может проявляться лишь при температуре, близкой к абсолютному нулю. Но первых исследователь нашли и признаки того, что она может возникать и при высоких температурах. Прогресс шел медленно. Через 30 лет ученым удалось подняться только до 16° К (для нитрида ниобия, соединения ниобия и азота). Исследования продолжались. Было открыто, что чистые металлы, даже такие отличные проводники, как медь или золото — неподходящие кандидаты в высокотемпературные сверхпроводники. Методом проб и ошибок было установлено, что хорошие результаты могут показывать некоторые типы керамики.

К концу 1980-х из иттрия и меднокислого перовскита был получен материал, сверхпроводящий при температуре 92° К, что выше температуры жидкого азота (77° К, или -321° F). Это привело к первому практическому применению: сверхпроводящие магниты для больших ускорителей частиц. В начале XXI века сплав оксидов олова, бария, кальция и меди преодолел рубеж в 200° К (около -100 °F).

Прогресс остановился до тех пор, пока китайские ученые не открыли соединение, сверхпроводящее при температуре 393° К (248°F). Однако их радость была недолгой. Оказалось, что это вещество невозможно получить в количестве более микрограмма, из-за нестабильности его кристаллической решетки. Неоднократные попытки китайских и индийских ученых ни к чему не привели. Неуловимому сверхпроводнику было дано название «анобтаниумий» (впоследствии сокращенное до «анобтаниум» в соответствии с системой именования элементов).

Так обстояли дела до того момента, когда выяснилось, что аномалии магнитного поля Пандоры вызваны залежами минерала, сверхпроводящего при высокой температуре. Анобтаниум был, наконец, получен.

Основные принципыПравить

Обычная электропроводность возникает, когда внешние (валентные) электроны атома не привязаны к орбите и могут быть высвобождены с небольшим усилием. Простейшие представители проводников — металлы. В частности, проводниками являются медь, серебро и золото. Однако сопротивление металлического провода не равно нулю. Часть электрической энергии при прохождении через провод превращается в тепло. Чтобы провод мог переносить достаточно большой ток без нагрева до температуры плавления, он должен иметь достаточно большое сечение.

Обычное сопротивление уменьшается при снижении температуры. Но сопротивление никогда не падает до нуля, даже если температура стремится к абсолютному нулю. Абсолютный ноль — это -273.15°С, или -459.67°F, или 0°К. Очень низкие температуры измеряются в градусах по шкале Кельвина, иногда называемых просто «Кельвинами», которые равны градусам по шкале Цельсия, но начинаются от абсолютного нуля. Комнатная температура, таким образом, это примерно 300°К, или 27°С, или 81°F.

Сверхпроводимость — это явление, принципиально отличное от того, что происходит в обычных проводниках при пониженных температурах. Даже сейчас оно не до конца понято. По сути, для сверхпроводимости требуется, чтобы переносящие электрическую энергию электроны разбивались на пары и двигались в унисон, а не так как в обычном проводнике, где они в диком темпе толкаются, стремясь к финишу. Сверхпроводимость была открыта при температурах, близких к абсолютному нулю, и исследовались исключительно из научного любопытства. Но со временем создавались вещества, способные к сверхпроводимости при все более высоких температурах. В наше время есть сверхпроводники, работающие при температурах, значительно превышающих точку кипения воды (100°С).

Электрические и магнитные характеристикиПравить

Текущий электрический ток всегда создает вокруг проводника магнитное поле. Одно из свойств сверхпроводящих материалов — способность отталкивать такие поля. Это отталкивание настолько сильно, что сверхпроводник может плавать в магнитном поле.

В обычном проводе магнитное поле пронизывает металл, а также пространство вокруг него. В сверхпроводнике поле вытеснено из провода и занимает только окружающее пространство. К сожалению, большая сила тока создает сильное магнитное поле, которое может пробиться обратно в сверхпроводник, а проникающее поле заставляет материал терять сверхпроводимость. При этом почти вся электрическая энергия немедленно преобразуется в тепло, иногда с катастрофическими последствиями.

Было проведено множество исследований с целью увеличения сопротивление сверхпроводников проникновению магнитного поля. На сегодняшний день, наилучшие результаты показывает анобтаниум. При определенных условиях оказывается возможным даже запереть с его помощью сильное магнитное поле в ограниченном объеме. Это необычное свойство нашло много применений и открыло много новых направлений для исследования.

ПрименениеПравить

До открытия анобтаниума на Пандоре, сверхпроводники практически не использовались в коммерческих целях, поскольку нуждались в охлаждении до температуры жидкого азота (-321° F). Основным применением были поезда на магнитной подушке и подшипники без трения для роторов в вакуумных камерах, таких как гиростаты на космических кораблях. Разумеется, сверхпроводники применялись и в научных исследованиях, поскольку при проведении исследований стоимость не так важна. Огромный ускоритель частиц, построенный в старом Евросоюзе, был одним из главных примеров их использования.

Способность анобтаниума к сверхпроводимости при высоких температурах решает две основных проблемы, которые были бичом ранних проектов: необходимость в огромной системе охлаждения и утилизация значительного количества производимого при этом тепла. На Земле тепло можно просто сбрасывать в атмосферу (по крайней мере, после развала кенийского пакта о глобальном потеплении) или в близлежащие водоемы. Однако для космических аппаратов в вакууме избавление от ненужного тепла требует десятков тысяч квадратных метров излучающих поверхностей, нагретых до высоких температур. Это не так просто, если не сказать больше.

Появления Править

СсылкиПравить

Обнаружено использование расширения AdBlock.


Викия — это свободный ресурс, который существует и развивается за счёт рекламы. Для блокирующих рекламу пользователей мы предоставляем модифицированную версию сайта.

Викия не будет доступна для последующих модификаций. Если вы желаете продолжать работать со страницей, то, пожалуйста, отключите расширение для блокировки рекламы.