–еальные системы и фазовые переходы

‘азами называют однородные различные части физико-химических систем. ‘азовые переходы первого и второго рода. »деальные и реальный газы. ћолекул€рно Ц кинетическа€ теори€ критических €влений. ’арактеристика сверхтекучести и сверхпроводимости элементов.

–убрика ‘изика и энергетика
¬ид реферат
язык русский
ƒата добавлени€ 13.06.2008
–азмер файла 32,3 K

ќтправить свою хорошую работу в базу знаний просто. »спользуйте форму, расположенную ниже

—туденты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

25

ќглавление.

1. ¬ведениеЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..2

2. ‘азовые переходы первого и второго родаЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..4

3. »деальный газЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.7

4. –еальный газЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ....8

5. ћолекул€рно - кинетическа€ теори€ критических €вленийЕ.Е.9

6. —верхтекучестьЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..11

7. —верхпроводимостьЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..13

7.1 ќткрытие сверхпроводимостиЕЕЕЕЕЕЕ.Е...13

7.2 Ёлектрон - фононное взаимодействиеЕЕЕЕЕ..14

7.3 —верхпроводники первого и второго родаЕЕЕ...16

7.4 –ецепт изготовлени€ сверхпроводникаЕЕЕЕЕ.17

7.5 “ехника безопасностиЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.18

7.6 Ёффект ћайснераЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ20

8. «аключениеЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.22

9. —писок литературыЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.25

1. ¬ведение.

‘азами называют однородные различные части физико-химических систем. ќднородным €вл€етс€ вещество, когда все параметры состо€ни€ вещества одинаковы во всех его объемах, размеры которых велики по сравнению с межатомными состо€ни€ми. —меси различных газов всегда составл€ют одну фазу, если во всем объеме они наход€тс€ в одинаковых концентраци€х.

ќдно и то же вещество в зависимости от внешних условий может быть в одном из трех агрегатных состо€ний - жидком, твердом или газообразном. ¬ зависимости от внешних условий может находитьс€ в одной фазе, либо сразу в нескольких фазах. ¬ окружающей нас природе мы особенно часто наблюдаем фазовые переходы воды. Ќапример: испарение, конденсаци€. —уществуют такие услови€ давлени€ и температуры, при которых вещество находитс€ в равновесии в различных фазах. Ќапример, при сжижении газа в состо€нии равновеси€ фаз объем, может быть каким угодно, а температура перехода св€зана с давлением насыщенного пара. “емпературы, при которых происход€т переходы из одной фазы в другую, называютс€ температурами перехода. ќни завис€т от давлени€, хот€ и в различной степени: температура плавлени€ - слабее, температура парообразовани€ и сублимации - сильнее. ѕри нормальном и посто€нном давлении переход происходит при определенном значении температуры, и здесь имеют место точки плавлени€, кипени€ и сублимации (или возгонки.). —ублимаци€ - это переход вещества из твердого состо€ни€ в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов.  огда комета находитс€ далеко от солнца, почти вс€ ее масса сосредоточена в ее €дре, имеющем размеры 10-12 километров. ядро, окруженное небольшой оболочкой газа - это так называема€ голова кометы. ѕри приближении к —олнцу €дро и оболочки кометы начинают нагреватьс€, веро€тность сублимации растет, а десублимации - уменьшаетс€. ¬ырывающиес€ из €дра кометы газы увлекают за собой и твердые частицы, голова кометы увеличиваетс€ в объеме и становитс€ газопылевой по составу.

2. ‘азовые переходы первого и второго рода.

‘азовые переходы бывают нескольких родов. »зменени€ агрегатных состо€ний вещества называют фазовыми переходами первого рода, если:

1)“емпература посто€нна во врем€ всего перехода.

2)ћен€етс€ объем системы.

3) ћен€етс€ энтропи€ системы.

„тобы произошел такой фазовый переход, нужно данной массе вещества пообшить определенное количество тепла, соответствующего скрытой теплоте превращени€. ¬ 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). ¬о врем€ преобразовани€ скрыта€ теплота пойдет на преобразование сил сцеплени€, интенсивность теплового движени€ не изменитс€, в результате температура останетс€ посто€нной. ѕри таком переходе степень беспор€дка, следовательно, и энтропи€, возрастает. ≈сли процесс идет в обратном направлении, то скрыта€ теплота выдел€етс€.   фазовым переходам первого рода относ€тс€: превращение твердого тела в жидкое (плавлени€) и обратный процесс (кристаллизаци€), жидкого - в пар (испарение, кипение). ќдной кристаллической модификации - в другую (полиморфные превращени€).   фазовым переходам второго рода относитс€: переход нормального проводника в сверхпровод€щее состо€ние, гелий-1 в сверхтекучий гелий-2, ферромагнетика - в парамагнетик. “акие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний, выдел€ютс€ своей способностью сильно намагничиваютс€ и долго сохран€ть состо€ние намагниченности. »х называют ферромагнетиками. Ѕольшинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительна€ часть переходных металлов) слабо намагничиваютс€ и не сохран€ют это состо€ние вне магнитного пол€ - это парамагнетики. ‘азовые переходы второго, третьего и так далее родов св€заны с пор€дком тех производных термодинамического потенциала ?ф, которые испытывают конечные измерени€ в точке перехода, “ака€ классификаци€ фазовых превращений св€зана с работами физика - теоретика ѕаул€ Ёрнеста (1880 -1933). “ак, в случае фазового перехода второго рода в точке перехода испытывают скачки производные второго пор€дка: теплоемкость при посто€нном давлении Cp=-T(?ф2/?T2), сжимаемость в=-(1/V0)(?2ф/?p2), коэффициент теплового расширени€ б=(1/V0)(?2ф/?Tp), тогда как первые производные остаютс€ непрерывными. Ёто означает отсутствие выделени€ (поглощени€) тепла и изменени€ удельного объема (ф - термодинамический потенциал).

—осто€ние фазового равновеси€ характеризуетс€ определенной св€зью между температурой фазового превращени€ и давлением. „исленно эта зависимость дл€ фазовых переходов даЄтс€ уравнением  лапейрона- лаузиуса: p/T=q/TV. »сследовани€ при низких температурах - очень важный раздел физики. ƒело в том, что таким образом можно избавитьс€ от помех св€занных с хаотическим тепловым движением и изучать €влени€ в УчистомФ виде. ќсобенно важно это при исследовании квантовых закономерностей. ќбычно из-за хаотического теплового движени€ происходит усреднение физической величины по большому числу еЄ различных значений и квантовые скачки Усмазываютс€Ф.

Ќизкие температуры (криогенные температуры), в физике и криогенной технике диапазон температур ниже 120∞  (0∞с=273∞ ); работы  арно (работал над тепловым двигателем) и  лаузиуса положили начало исследовани€м свойств газов и паров, или технической термодинамике. ¬ 1850 году  лаузиус заметил, что насыщенный вод€ной пар при расширении частично конденсируетс€, а при сжатии переходит в перегретое состо€ние. ќсобый вклад в развитие этой научной дисциплины внес –еню. —обственный объем молекул газа при комнатной температуре составл€ет примерно одну тыс€чную объема, занимаемого газом.  роме того, молекулы прит€гиваютс€ друг к другу на рассто€ни€х, превышающих те, с которых начинаетс€ их отталкивание.

3. »деальный газ.

»деальный газ, идеализированна€ модель газа; в идеальном газе силы взаимодействи€ между частицами (атомами, молекулами) пренебрежимо малы.   идеальным газам близки разр€женные реальные газы при температурах, далеких от температуры и конденсации. «ависимость давлени€ идеального газа от его температуры и плотности выражаетс€ уравнени€  лапейрона, ( лаперона-ћенделеева уравнение), найденна€ Ѕ.ѕ. Ё.  лапейроном (1834) зависимость между физическими величинами, определ€ющими состо€ние идеального газа (давлением р, объемом V, и абсолютной температурой “): PV=BT, где коэффициент ¬ зависит от массы газов ћ и его молекул€рной массы. ƒл€ одного мол€ идеального газа pV=RT, где R-газова€ посто€нна€. ≈сли мол€рна€ масса газа м, то pV=M/м *RT.

4. –еальный газ.

–еальный газ, отличаетс€ от идеального газа существованием взаимодействи€ между его частицами (молекулами, атомами). ѕри малых плотност€х наличие межмолекул€рного взаимодействи€ учитываетс€ вириальным уравнением состо€ни€ реального газа: pV=RT[1+B (T)/х+C(T)/х2+Е], где р - давление, х - мол€рный объем, “ - абсолютна€ температура, R - газова€ посто€нна€, ¬(“), —(“) и так далее - вириальные коэффициенты, завис€щие от температуры и характеризующие парные, тройные и так далее взаимодействи€ частиц в газе. —уществуют и другие полуэмпирические и теоретические уравнени€ состо€ни€ реальных газов, например: уравнение ¬ан дер ¬аальса (нидерландского физика), предложенное ¬ан дер ¬альсом (1873г) уравнение состо€ни€ реального газа, учитывающее конечность объема молекул и наличие межмолекул€рных сил прит€жени€; дл€ одного мол€ газа имеет вид: (р+а/V2) (v-b)=RT, где р - давление, V - объем одного мол€, T - абсолютна€ температура, R - универсальна€ газова€ посто€нна€, a и b посто€нные, характеризующие взаимодействие молекул данного вещества. “ретье начало термодинамики: по мере приближени€ температуры к 0K. Ёнтропи€ вс€кой равновесной системе при изотермических процессах перестает зависеть от каких-либо термодинамических параметров состо€ни€ и в пределе (T=0K) принимает одну и туже дл€ всех систем посто€нную величину, которую можно прин€ть равной нулю. “ретье начало предсказывает вырождение идеальных азов при низкой температуре.  ак показало развитие квантовой статистики, такое вырождение действительно имеет место. ќно указывает на недостаточность классической механики и основанной на ней классической статистики в области низких температур.  вантова€ статистика показывает, что третье начало термодинамики €вл€етс€ микроскопическим про€влением квантовых свойств реальных систем при низких температурах. —войства реальных систем изучались экспериментально.

5. ћолекул€рно - кинетическа€ теори€ критических €влений.

¬скоре после открыти€ закона Ѕойл€ - ћариотта (произведение объема данной массы идеального газа на его давление посто€нно при посто€нной температуре; установлен независимо –. Ѕойлем (1660г) и Ё. ћариоттом (1676г)) были обнаружены отклонени€ от него: нидерландский физик ћартин ¬ан ћарум установил, что при давлении 7 атмосфер газообразный аммиак переходит в жидкое состо€ние; примерно тогда же Ћавуазье отметил роль охлаждени€ в изменении состо€ни€ газов. ¬ середине прошлого века по€вились попытки учесть эти отклонени€ количественно, чтобы ввести поправки, но все они были случайными и не св€зывались с критическими состо€ни€ми газов. ¬ан-дер-¬аальс показал глубинную св€зь между жидким и газообразным состо€ни€ми вещества, объ€снил их непрерывный переход друг в друга и развил молекул€рно-кинетическую теорию критических €влений. ≈го теори€ позволила предсказать существование неустойчивых состо€ний вещества. ѕосле создани€ √иббсом статистической механики нагл€дна€ теори€ ¬ан-дер-¬аальса была переведена на строгий математический €зык. √иббс дал развернутое изложение метода термодинамических потенциалов и его применение к анализу равновеси€. — позиции своего метода он единым образом исследовал законы образовани€ 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). ”становлено ƒж. ”. √иббсом в 1873-1876гг, рассмотрел поверхностные и электрохимические €влени€, многокомпонентные системы и тому подобные. –азвива€ метод √иббса, ƒюгем в своих работах ввел термин Ђтермодинамический потенциалї. √иббс пришел к идее введени€ таких функций после исследовани€ поведени€ функции (≈-“S+pV), когда заметил, что условие устойчивого равновеси€ сводитс€ к равенству б(≈-“S+рV)=0. Ёкстремальные значени€ этой функции оказались необходимыми и достаточными услови€ми равновеси€ систем при изобарно - изотермических процессах. ¬ последствии эту функцию назвали изобарно - изотермическим потенциалом, или потенциалом √иббса. «атем √иббс установил, что термодинамические свойства системы можно описать еще трем€ функци€ми, обладающими свойствами потенциалов - внутренней энергией (диабатический потенциал) и тепловой функцией (энтальпи€). ¬ химической термодинамике важен и химический потенциал, введенный √иббсом.

— точки зрени€ статистической механики вывод уравнени€ состо€ни€ сводитс€ к нахождению новой функции состо€ни€ свободной энергии F=E-TS как функции параметров p,T,V. “огда уравнение состо€ни€ находитс€ как p=-I?I±I?VIT. Ќужно было найти свободную энергию системы, вычислив соответствующий интервал, что было непростой задачей. √иббс понимал, что дл€ полного описани€ системы, даваемого термодинамическими потенциалами, нужно знание молекул€рной структуры и характера взаимодействи€ частиц. ѕоэтому он разработал метод нахождени€ статистических аналогов дл€ изотермического и химического потенциалов. ћетод √иббса был пригоден дл€ любых систем, но математические трудности того времени не позвол€ли уйти от идеализированных моделей.

6. —верхтекучесть.

¬ 1945 году известный советский математик и физик-теоретик Ќ. Ќ. Ѕоголюбов, разработавший более совершенный метод решени€ проблем статистической физики, привел уравнени€ состо€ни€ реальных газов в виду: p=(NkT/V)(1=NB1(T)/V+N2B2/V2+N3B3/V3+Е..), где B - функции температуры, называемые вириальными коэффициентами, которые определ€ютс€ по законам взаимодействи€ молекул. при низких температурах становитс€ возможным наблюдать микроскопические квантовые €влени€ - сверхпроводимость и сверхтекучесть. —верхтекучесть - это свойство квантовых жидкостей - течь без трени€. ¬первые обнаружено в 1938 году советским ученым ѕ.Ћ. апицей в жидком гелии. ѕри температурах ниже 2,17   в€зкость гели€ обращаетс€ в ноль, и он свободно протекает через очень узкие капилл€ры. “еоретическое объ€снение €влени€ сверхтекучести было дано в 1941 году советским ученым Ћ.ƒ.Ћандау (Ћандау Ћев ƒавидович (1908 - 1968), российский физик-теоретик, основатель научной школы, академик јЌ ———– (1946), √ерой —оциалистического “руда (1954)). “руды во многих област€х физики: магнетизм; сверхтекучесть и сверхпроводимость; физика твердого тела, атомного €дра и элементарных частиц, физика плазмы; квантова€ электродинамика; астрофизика и др.

јвтор классического курса теоретической физики (совместно с ≈. ћ. Ћифшицем). Ћенинска€ преми€ (1962), √осударственна€ преми€ ———– (1946, 1949, 1953), Ќобелевска€ преми€ (1962). ѕо теории Ћандау, необычность гели€ состоит в следующем: жидкий гелий существует в двух формах. ¬ области температур от 4,2 до 2,18   (так называема€ - точка) он ведЄт себ€ как классическа€ жидкость - это гелий. Ќиже - точки он состоит, как бы из двух жидкостей одна ведЄт себ€ как гелий-1, друга€ про€вл€ет свойства сверхтекучести - проводит тепло без потерь, то есть. ≈Є теплопроводность равна бесконечности. Ќе оказывает сопротивлени€ течению, или имеет нулевую в€зкость, - это гелий-2. ¬ - точке происходит фазовый переход между состо€ни€ми гели€. ќтносительное количество каждой из компонент гели€ зависит от температуры, причем его можно определить измерением силы, действующей на предмет, движущийс€ в жидкости. ќпыты показывают, что при температуре ниже 1  практически весь гелий, наход€щийс€ в сверхтекучем состо€нии. јтомы жидкого гели€ образуют единую квантовую систему, энергию и импульс которой можно изменить только сразу на конечную величину, скачком. ѕоэтому до определенной скорости жидкий гелий течЄт без трени€, не замеча€ преп€тствий, - обладает свойством сверхтекучести. —верхтекучесть €вл€етс€ коллективным эффектом. јтомы гели€ имеют целый (нулевой) спин и поэтому скапливаютс€ в одинаковых состо€ни€х. ¬ результате квантовые свойства каждой частицы усиливаютс€. —пин. Ёлементарные частицы - это маленькие вращающиес€ волчки. ќни характеризуютс€ моментом количества движени€, или, кратко, угловым моментом. —огласно квантовой механике, угловой момент системы может принимать не любые значени€: его скачки равн€ютс€ посто€нной ѕланке h (1,054*10-34*ƒж*с), угловой момент элементарных частиц естественно измер€ть в единицах ѕланке. ћомент, измеренный в таких единицах, называетс€ спином. —пин гели€-4 атома гели€ равен нулю, €вл€етс€ бозоном, подчин€етс€ статистике Ѕозе-Ёнштейна и поэтому не подчин€етс€ запрету ѕаули (—огласно принципу ѕаули: в каждом квантовом состо€нии может находитьс€ только один электрон.), а изотоп гели€ гелий-3, €вл€ющийс€ фермионом, подчин€етс€ запрету ѕаули и не дает €влени€ сверхтекучести. ѕри понижении температуры гели€ энерги€ его атомов, естественно, уменьшаетс€. ѕри какой-то очень низкой температуре все они окажутс€ в самом низком энергетическом состо€нии, поскольку запрет ѕаули дл€ них не применим. » будут иметь одинаковые волновые функции. јтомы сверхтекучего гели€ ведут себ€ согласованно, как единое целое. Ѕеспор€дка в этой системе нет, энтропи€ равна нулю.

7. —верхпроводимость.

—верхпроводимость - весьма необычный феномен, отличающийс€ от всего того, к чему мы привыкли. Ѕуквально это €вление из иного мира. ћы живем в классическом мире, а сверхпроводимость €вление квантовое, но в макроскопических масштабах. Ќапример, волновые функции в квантовой механике ввод€т искусственно, а в сверхпроводимости они выступают естественным образом как измеримые величины.

7.1 ќткрытие сверхпроводимости.

свойства сверхпроводников

применение

—оздание магнитного пол€

ѕередача электроэнергии

ќбработка информации

Ќулевое электрическое сопротивление

+

+

+

Ѕольшие передаваемые токи

+

+

-

Ѕольшое магнитное поле

+

-

-

‘азовый переход

-

-

+

 вантовые эффекты

-

-

+

—верхпроводимость наблюдалась впервые при охлаждении ртути в 1911 году голландским ученым √ейке  аммерлинг-ќннесом. »сследовани€ 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.

Ёто странное €вление получило название сверхпроводимости. явление сверхпроводимости можно пон€ть и обосновать только с помощью квантовых представлений. ѕочти полвека сущность этого €влени€ оставалась нерасшифрованной, из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела.

¬ одном из экспериментов в сделанном из чистого свинца кольце был наведен ток в несколько сотен ампер. „ерез год оказалось, что ток все еще продолжает идти в кольце, и величина его не изменилась, то есть сопротивление свинца было равно нулю! «а открытие сверхпроводимости  амерлинг-ќннес был удостоен лауреата Ќобелевской премии.

7.2 Ёлектрон - фононное взаимодействие.

явление сверхпроводимости и сверхтекучести представл€ют собой макроскопический квантовый эффект. Ѕрать€ ‘риц и √ейнц Ћондон создали феноменологическую теорию сверхпроводимости. ¬ 1950 году английский физик √ерберт ‘релих разработал теорию сверхпроводимости, св€зав ее с электрон-фононным взаимодействием, поскольку электроны взаимодействовали через упругие колебани€ кристаллической решетки (которым и сопоставл€лись квазичастицы - фононы). –ассмотрим подробнее механизм возникновени€ электронных пар, св€занных силами прит€жени€, которые чаще называют куперовскими парам.

ѕри движении электрона в сверхпроводнике при “ < “кр. положительные ионы, наход€щиес€ в узлах кристаллической решетки (пересечени€ пунктирных линий на рис.1), прит€гиваютс€ к электрону, смещаетс€ от положени€ равновеси€ в его сторону. ѕоследующее кулоновское отталкивание положительных ионов приводит к распространению по решетке упругой волны. ¬торой электрон, наход€щийс€ достаточно далеко от первого, прит€гиваетс€ в его сторону смещающимс€ навстречу положительным ионом решетки. ѕодобное прит€жение между парой электронов может возникать, даже если они наход€тс€ друг от друга на рассто€нии, в тыс€чи раз превышающее период решетки (рассто€ние между соседними узлами). ƒвижение электронов в паре перестает быть независимым. Ѕлагодар€ прит€жению между электронами в паре оно становитс€ согласованным. ѕрит€жение между электронами преп€тствует столкновению каждого из них в отдельности с ионами решетки. Ёлектроны в сверхпроводнике (в отличие от обычного проводника) €вл€ютс€ Ђединым коллективомї куперовских пар. Ёлектрический ток в сверхпроводнике обусловлен согласованным движением куперовских пар электронов. „ем сильнее взаимодействие электронов с решеткой, тем сильнее их прит€жение друг к другу, тем легче образуютс€ куперовские пары. ƒл€ хороших проводников (Ag, Cu, Au) это взаимодействие мало, поэтому такие проводники не переход€т в сверхпровод€щее состо€ние. ѕри “>“кр. ’аотическое движение ионов доминирует над упор€доченным: куперовские пары разрушаютс€, и электроны движутс€ по кристаллу независимо, как в обычном проводнике. —верхпровод€щие свойства проводников исчезают при пропускании через них сильного электрического тока, создающего магнитное поле, разрушающее сверхпровод€щее состо€ние сверхпроводников.

”четные из ќкриджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) продемонстрировали возможность сохранени€ эффекта сверхпроводимости в присутствии сильного магнитного пол€. “аким образом, сделан очередной шаг, который может расширить практическое применение сверхпроводимости. —уть метода состоит в формировании в толще сверхпроводника своеобразных самосовмещенных линий из Ђнаноточекї, не обладающих свойством сверхпроводимости. Ќапомним, эффект сверхпроводимости возникает при низких температурах. «а годы исследований ученым удалось повысить температуру, при котором €вление имеет место, заменив охлаждение с использованием жидкого гели€, примен€вшегос€ в старых системах, на более практичное охлаждение с использованием жидкого азота. “ем не менее, дл€ многих областей применени€ сверхпроводимости преп€тствием оставались магнитные пол€. ѕроблема заключалась в том, что силы, возникающие между атомами сверхпроводника, заставл€ли их двигатьс€ под действием магнитного пол€, создава€ электрическое сопротивление и вызыва€ рассеивание энергии. Ђ¬страива€ї в сверхпроводник Ђнаноточкиї - микроскопические порции вещества с низкой проводимостью - ученым удалось зафиксировать подвижные участки и обеспечить беспреп€тственное прохождение тока сверхпроводимости. –езультаты работы, выполненной в ORNL, повышают шансы на использование сверхпроводников в моторах, генераторах, системах противовоздушной обороны и других приложени€х, где оно было ограничено негативным вли€нием магнитных полей.

7.3 —верхпроводники первого и второго рода.

ѕо своим магнитным свойствам сверхпроводники дел€тс€ на сверхпроводники … и …… рода.   сверхпроводникам … рода относ€тс€ все элементы-сверхпроводники кроме ниоби€. Ќиобий, сверхпровод€щие сплавы и химические соединени€ €вл€ютс€ сверхпроводниками …… рода. √лавное отличие этих двух групп сверхпроводников заключаетс€ в том, что они по-разному откликаютс€ на внешнее магнитное поле. ќсновным преп€тствием дл€ широкого применени€ металлических сверхпроводников €вл€етс€ необходимость их эксплуатации при сверхнизкой температуре. »спользование дл€ их охлаждени€ жидкого гели€ при “=4  создает значительные трудности и не всегда оправданно экономически. ѕри сверхнизких температурах тепловое движение в веществе практически прекращаетс€, и под воздействием электронов возникают слабые колебани€ атомов. Ёти колебани€, похожие на звуковые волны, но имеющие квантовый характер, советский физик »горь ≈вгеньевич “амм назвал фононами. —овременна€ теори€ сверхпроводимости - Ѕ Ў - теори€ (Ѕардин,  упер, Ўриффер - лауреаты Ќобелевской премии за 1972 год) была опубликована в 1957 году.

 ак можно пон€ть из ее объ€снени€, она представл€ет собой микроскопическую теорию сверхпроводимости, основанную на тех же положени€х, что и теори€ Ћандау. ¬ Ѕ Ў - теории исследованы также электра и термодинамические свойства сверхпроводников. ѕоиск 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). ѕолучение сверхпровод€щих состо€ний дл€ этих сплавов возможно с помощью недорогого и безопасного в эксплуатации жидкого азота, имеющего температуру кипени€ 77 . наибольшее наблюдавшеес€ значение “кр составл€ет ~ 20 . ¬ насто€щее врем€ усили€ физиков направлены на получение сверхпроводников с критической температурой, близкой к комнатной. Ёти сверхпроводники должны удовлетвор€ть высоким требовани€м к механической прочности и химической стабильности. ћеханизм сверхпроводимости у так называемых высокотемпературных сверхпроводников (с“кШ100 ) пока не известен.

ѕо крайней мере, один материал из числа вновь открытых и открываемых сверхпроводников можно изготовить под руководством учител€ физики (и химии). —верхпроводник состава Y-Ba-Cu-O. ¬ качестве исходных компонентов понадоб€тс€: окись иттри€Y2O3, углекислый барий BaCO3 и окись CuO.

7.4 –ецепт изготовлени€ сверхпроводника.

–ецепт:

1)¬озьмите 1,13г. окиси иттри€, 3,95г. углекислого бари€ и 2,39г. окиси меди.

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

3)ѕолучившуюс€ смесь отожгите - продержите в печи при температуре 9500C приблизительно 12часов.

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

5)—прессуйте порошок в таблетки.

6)—нова отожгите получившиес€ таблетки при той температуре и в течение того же времени, однако теперь с об€зательной подачей в печь кислорода.

7)ћедленно охладите таблетки - скорость понижени€ температуры не должна превышать 100град/ч.

7.5 “ехника безопасности.

«амечани€ по технике безопасности.

 ак сам материал сверхпроводника Y-Ba-Cu-O, так и исходные компоненты не относ€тс€ к числу €довитых веществ. ќднако при работе с ними необходимо соблюдать определенные правила. Ќужно использовать защитные очки, перчатки, а при измельчении компонентов в ступке об€зательно надевать марлевые пов€зки на рот. ¬дыхать пыль углекислого бари€ и окиси меди вредно. ѕровидите все операции в помещении, оборудованном выт€жкой, - это, впрочем, об€зательный элемент оборудовани€ любой лаборатории. ¬ том числе и в школьной.

«амечани€ к рецепту.

”казанные количества исходных компонентов позвол€ют получить примерно 7 грамм сверхпроводника Y-Ba-Cu-O, или около 5 таблеток диаметром 1см. и толщиной 1мм.

Ќекоторые трудности, встречающиес€ при изготовлении:

»сходные компоненты не относ€тс€ к числу редких веществ. »х можно найти в различных научных учреждени€х, а также на многих предпри€ти€х. ѕолучить описываемый сверхпроводник можно по более простой схеме и из других компонентов. ќднако лучше начинать с приведенного рецепта. ƒл€ отжига можно использовать печь, предназначенную дл€ изготовлени€ керамики. “акие печи есть во многих кружках керамики и в художественных студи€х. ƒело в том, что изготовл€емый сверхпроводник так же представл€ет собой керамику, как и некоторые знакомые предметы домашнего обихода. “олько нам нужна керамика - металл, поэтому таблетки будут получатьс€ другого цвета - черные. ÷вет керамического сверхпроводника - важный показатель его качества. ≈сли он получитс€ с прозеленью, значит, опыт изготовлени€ был не удачен, и все надо начинать сначала (при этом можно измельчить получившиес€ таблетки). «еленый цвет свидетельствует о недостатке кислорода в образце. ∆елательно получить материал с химической формулой: Y-Ba2Cu3O7. ќднако контролировать содержание кислорода по исходной смеси невозможно, к тому же кислород способен улетучиватьс€ в процессе изготовлени€. “ак что подача кислорода в печь при отжиге существенна. —ам кислород можно получить в научных, медицинских, производственных организаци€х (он используетс€, например, при сварке). ƒл€ подачи его в печь можно применить насос, который служи дл€ накачки воздуха в аквариум. —корость подачи кислорода может быть минимальной такой, что бы кожа ощущала легкое дуновение газа. ƒовольно существенно поддержание температуры отжига. –абота будет бесполезной, если температура отжига опускаетс€ ниже 900∞—. ѕревышение рабочей температуры на 100∞ приведет к расплавлению смеси. “огда придетс€ ее вновь растолочь и начать все с начала. “ак что надо предварительно проверить термометр печи, обычно он показывает далекие от истины значени€. ќчень важно медленно охлаждать изготовленные таблетки - быстрое охлаждение ведет к потере кислорода. “аким образом, первоначально цикл отжиг-охлаждение будет занимать 20 часов. Ќеобходимо организовать ночные дежурства. ѕри изготовлении понадобитс€ также пресс. ќценка показывает, что нужно развивать усилие в 7 тыс€ч на таблетку диаметром около 1 см., чтобы получить хороший образец. ѕо-видимому, таблетки можно прессовать даже с помощью самодельного винтового пресса. —тоит обратить внимание также на выбор тигл€, в котором отжигаетс€ материал. ћеталлический тигль может реагировать со сверхпроводником, иногда с нежелательными последстви€ми.   тем же последстви€м могут привести примеси в смеси исходных материалов. Ќапример, 2-3% примеси атомов железа вместо меди ведут к подавлению сверхпроводимости.

„то можно делать с изготовленными таблетками?

ћожно убедитьс€ в резком падении сопротивлени€ при сверхпровод€щем переходе. ќднако с помощью стандартных приборов вр€д ли удастс€ по величине сопротивлени€ отличить сверхпровод€щий образец от медного. Ёкспериментально сверхпроводимость можно наблюдать, включив в общую электрическую цепь звено из сверхпроводника. ¬ момент перехода в сверхпровод€щее состо€ние разность потенциалов на концах этого звена обращена в ноль. явление сверхпроводимости можно пон€ть и обосновать только с помощью квантовых представлений. ѕочти полвека сущность этого €влени€ оставалась не расшифрованной, из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела. √ораздо нагл€днее демонстраци€ эффекта ћайснера. ¬ любом случае дл€ охлаждени€ понадобитс€ жидкий азот. (ћайснер ¬альтер ‘риц (1882-1974гг.), немецкий физик).

7.6 Ёффект ћайснера.

ƒиректор лаборатории низких температур Ѕаварской јкадемии Ќаук. ¬ 1932 году совместно с –. ’ольман наблюдал Ёффект туннелировани€ между двум€ сверхпроводниками, совместно с другим обнаружил эффект, названный его именем. Ёффект ћайснера, вытеснение магнитного пол€ из металлического проводника при его переходе в сверхпровод€щее состо€ние открыт в 1933 году немецкими физиками ¬. ћайснером и –. ќксенфельдом. ƒо 1993 года считалось, что сверхпроводник - это и есть идеальный проводник. Ќо вот ћайснер и ќксенфельд поставили опыт и обнаружили, что это не так! ќказалось, что при “ < “кр поле в образце равно нулю (¬=0, где ¬ - индукци€) всегда, независимо от пути перехода к условию “ < “кр при наличии внешнего магнитного пол€. Ёто было чрезвычайно важное открытие. ¬едь если ¬=0 независимо от предыстории образца, то это равенство можно рассматривать как характеристику сверхпровод€щего состо€ни€, которое возникает при Ќ < Ќст. Ќо тогда можно рассматривать переход в сверхпровод€щее состо€ние и использовать дл€ исследовани€ сверхпровод€щей фазы вещества всю мощь термодинамического подхода.

8. «аключение.

—верхпроводимость - €вление занимательное. »зуча€ необычные и впечатл€ющие свойства сверхпроводников, физики глубже проникают в тайны устройства материи. »нженеры стрем€тс€ сделать сверхпроводники своим оружием заставить их работать. —верхзадача дл€ сверхпроводников - передача их полезных свойств объектам новой техники. —верхпроводники - это новый класс проводниковых материалов с экстраординарными свойствами, ибо у них отсутствует омическое сопротивление. ѕлотности токов, пропускаемых по сверхпроводникам, можно увеличить до 103-104ј/мм2, то есть они будут в тыс€чи раз больше, чем по меди или алюминию. —верхпровод€щие материалы не только широко используютс€ при конструировании магнитов в исследовательских цел€х, но и имеют большое практическое применение. ќжидаетс€, что в недалеком будущем на смену громоздким мачтам электропередачи придут подземные электропровод€щие линии. ¬ японии в 1988 году построен опытный образец железной дороги со сверхпровод€щей магнитной подвеской, пока ее длина 8 километров. —уть ее в том, чтобы поезд (либо вагон) двигалс€ без колес. ƒержать же вагон над дорогой и двигать его вперед должно магнитное поле, которое создают установленные в днище вагона сверхпровод€щие магниты. ∆елезнодорожный путь представл€ет совой полосу из уложенных перпендикул€рно движению металлических стержней, в которых наводитс€ управл€ема€ с помощью Ё¬ћ волна тока, бегуща€ под вагоном и перед вагоном. ¬заимодействие тока с магнитным полем одновременно т€нет вагон вперед и поддерживает просвет между дном вагона и дорогой.

—верхпровод€щий магнит, сверхпровод€щий магнитометр прибор дл€ измерени€ магнитных полей и их градиентов, (векторов g,показывающих наискорейшего возрастани€ данного скал€рного пол€ ц (–), где – - точка пространства; обозначаетс€ g=grad ц (–).) действие которых основано на эффекте ƒжозефсона. ѕротекание сверхпровод€щего тока через тонкий (~10ј) слой диэлектрика, раздел€ющий два сверхпроводника (так называемый контакт ƒжозефсона). Ёффект предсказал Ѕ. ƒжозефсон (1962 г.). Ќа его основе создан сверхпровод€щий квантовый интерферометр (сквид), с помощью которого уточнены значени€ р€да фундаментальных физических посто€нных. Ёффект ƒжозефсона используетс€ в криогенных приборах; контакты ƒжозефсона примен€ютс€ также в качестве быстродействующих логических элементов Ё¬ћ. ¬ 1962 году по€вилась стать€ никому до этого не известного автора Ѕ. ƒжозефсона, в которой теоретически предсказывалось существование двух удивительных эффектов. Ёти эффекты следовало ожидать в туннельных сверхпроводниковых контактах. ѕервый эффект заключаетс€ в том, что через туннельный переход возможно протекание сверхпровод€щего (бездиссипативного) тока (сверхтока). ѕредсказывалось, что критическое значение этого тока будет весьма причудливым образом зависеть от внешнего магнитного пол€. ≈сли ток через такой переход станет источником высокочастотного электромагнитного излучени€. Ёто - второй эффект ƒжозефсона. ¬скоре доказано экспериментально. „увствительность сверхпровод€щих магнитометров достигает 10-15 “л (10-15 √с). Ќобелевский комитет присудил премию по физике 2003 года двум русским ученым и американцу за объ€снение феноменов сверхтекучести и сверхпроводимости. „лены Ќобелевского комитета, заседающие в Ўведской королевской академии наук, отметили наградой российского профессора ¬итали€ √инзбурга из физического института имени Ћебедева –јЌ (ћосква, –осси€), российского же профессора јлексе€ јбрикосова из јргоннской национальной лаборатории (јргонн, »ллинойс, —Ўј) и профессора Ёнтони ƒж. Ћеггетта (университет »ллинойса, ”рбана, »ллинойс, —Ўј).  ак написано в официальном пресс-релизе Ќобелевского комитета, они внесли решающий вклад в объ€снение двух феноменов квантовой физики: сверхпроводимости и сверхтекучести. ¬ этом году размер премии составил $1,2 млн. јбрикосов јлексей јлексеевич. –одилс€ 25 июн€ 1928 года, через три года после окончани€ второй мировой войны стал выпускником ћ√” им. Ћомоносова. ѕосле этого в течение 17 лет проработал в »нституте физических проблем јЌ ———–.

—писок литературы:

1. Ѕазаров ».ѕ. Ђ“ермодинамикаї издание третье ћосква изд. Ђ¬ысша€ школаї 1983 год.

2. Ѕланке ј.я. Ђ‘изикаї учебное пособие дл€ студентов нефизических специальностей вузов ’арьков изд. Ђ аравеллаї1996год.

3. √инзбург ¬.Ћ., Ђ—верхпроводимостьї. ћосква: педагогика 1990 год.

4. ƒубнищева “.я. Ђ онцепции современного естествознани€ї Ќовосибирск, 1997год.

5.  абардин ќ.‘. Ђ‘изикаї ћосква, изд. Ђѕросвещениеї 1991год.

6. ќколотин ¬. Ђ—верхзадача дл€ сверхпроводниковї изд. Ђ«наниеї ћосква 1983 год.

7. –емизов ј.Ќ. Ђ урс физики, электроники и кибернетикиї ћосква изд. Ђвысша€ школаї 1982 год.

8. —авельев ».¬. Ђ урс общей физикиї том 3. ћосква изд. ЂЌаукаї 1982 год.

9. —олимар Ћ., ”олш ƒ. ЂЋекции по электрическим свойствам материаловї ћосква изд. Ђћирї 1991 год.

10. „у€нов ¬.ј. ЂЁнциклопедический словарь юного физикаї второе изд., исправленное и дополненное - ћ.: ѕедагогика, 1991год.

11. Ўмидт ¬.¬. Ђ¬ведение в физику сверхпроводниковї ћосква изд. ЂЌаукаї 1982 год.

12. яворский Ѕ.ћ., ƒетлаф ј.ј. Ђ—правочник по физикеї ћосква изд. ЂЌаукаї 1985 год.

13. яворский Ѕ.ћ. Ђ урс физикиї I том изд. Ђвысша€ школаї ћосква 1965год.

14. Ќовый энциклопедический словарь. ћосква, ЂЅольша€ –оссийска€ энциклопеди€ї изд. Ђ–ипол  лассикї 2001год.

15. ¬се 100000 рефератов ЂALEX SOFTї


ѕодобные документы

  • Ёкстремальные свойства термодинамических потенциалов. ”слови€ равновеси€ и устойчивости пространственно однородной системы. ќбщие услови€ равновеси€ фаз в термодинамических системах. ‘азовые переходы.

    лекци€ [153,2 K], добавлен 25.07.2007

  •  оэффициент термического расширени€, формулы. ‘азовые переходы первого и второго рода в термодинамике. ѕлавление и кристаллизаци€, испарение и конденсаци€, сублимаци€ и десублимаци€. √рафик зависимости изменени€ объема воды от температуры и времени.

    лабораторна€ работа [402,2 K], добавлен 22.09.2013

  • ‘азовые переходы второго рода.  омпьютерное моделирование критического поведени€, вли€ние на него дефектов структуры. ћодель √ейзенберга, алгоритм ¬ульфа.  оротковременна€ динамика, уточнение критической температуры. –асчет критических индексов.

    дипломна€ работа [876,3 K], добавлен 07.02.2011

  • ќписание адиабатически изолированной системы. »зменени€ энтропи€ азота в изохорном процессе. ‘азовые равновеси€ и фазовые переходы. Ёлементы технической термодинамики, пон€тие об идеальных и неидеальных растворах. –асчет  ѕƒ двигател€ —тирлинга.

    контрольна€ работа [263,2 K], добавлен 24.05.2015

  • ѕон€тие и содержание процесса фазового перехода первого рода как изменени€ агрегатного состо€ни€ вещества. ќсновные стадии данного перехода и его особенности, физическое обоснование и закономерности. —ущность теории «ельдовича. Ѕистабильна€ система.

    презентаци€ [199,0 K], добавлен 22.10.2013

  • “ипологи€ и молекул€рна€ структура полиэтилена низкой плотности. ‘изические и фазовые состо€ни€, термомеханическа€ крива€ и релаксацинные процессы полиэтилена. ‘азовые переходы, кристаллизаци€ и стеклование. “еплофизические и электрические свойства.

    курсова€ работа [1,8 M], добавлен 11.06.2014

  • ћагнитные вещества, фазовые переходы второго рода и температура  юри. ќсновные методы определени€ температуры  юри ферро- и ферримагнетиков по температурной зависимости динамической восприимчивости в слабых пол€х. ”становка дл€ определени€ точки  юри.

    курсова€ работа [103,2 K], добавлен 16.04.2015

–аботы в архивах красиво оформлены согласно требовани€м ¬”«ов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
–екомендуем скачать работу.