Надпровідність та її використання в техніці

2.5 Магнітні підвіси і підшипники

Надпровідна сфера (Рис. 15) висить над кільцем, у якому циркулює незатухаючий струм. Відбувається це , як ми вже знаємо, завдяки діамагнетизму надпровідників. Сила ваги сфери врівноважується "магнітною подушкою", що створюється надпровідним струмом.

Рис .15

Висіти таким чином, як з'ясувалося, можуть досить важкі предмети.

Ефект механічного відштовхування використовується для створення магнітного підвісу. Найбільш простий варіант такого пристрою схематично зображений на рисунку 16.

Надпровідний диск опускається на надпровідну котушку , у якій тече незатухаючий струм. На цьому принципі можна створити різні пристрої, що дозволяють забезпечити стійку підвіску в одному, двох чи трьох напрямках. На рисунку 16,а зображений підшипник, стійкий в одному напрямку, а на рисунку 16,б показано застосування цього принципу підвіски підшипника на всі три напрямки в просторі.

Подібні магнітні підвіси можуть працювати у всіляких пристроях. Особливо вони зручні в тих випадках, коли тіло, підвішене в магнітному полі, повинне обертатися з великим числом обертів.

а) б)

Рис .16

2.6 Надпровідні перемикачі й елементи пам'яті

Ідея про використання надпровідників в ЕОМ виникла давно. Ще в середині 50-х років було запропоновано надпровідний пристрій - кріотрон, у якому реалізуються два стани і який може переключатися з одного стану в інший . Кріотрон - пристрій нескладний . У своїй первісній і найпростішій формі він являв собою танталовий дріт - вентиль, навколо якого були намотані витки з ніобію (Рис .17). І тантал, і ніобій - надпровідники, але критична температура танталу 4,4 К , а ніобію - 9,2 К. Тому в гелієвій ванні при температурі 4,2 К вентиль (і тим більше обмотка) знаходиться у надпровідному стані і не робить опору струму. При подачі в обмотку струму достатньої величини на поверхні вентиля з'являється магнітне поле , що перевищує критичне, і танталовий дріт переходить у нормальний стан з кінцевим опором. Керуюча обмотка, що має більш високу критичну температуру, залишається при цьому у надпровідному стані.

Такий пристрій діє як реле, замкнуте у надпровідному і розімкнуте в нормальному стані. Так можна записувати 0 чи 1, тобто створювати найпростіший елемент пам'яті. З декількох кріотронів, з'єднуючи їх у схему, можна створити пристрій, що розмикає одні і замикає інші канали для проходження струму, тобто створювати логічні й інші елементи ЕОМ.

Рис .17 Рис .18

Сказане можна проілюструвати простим прикладом. Нехай струм розподіляється по двох рівнобіжних ланцюгах, що містять кріотрони (Рис. 18). Якщо обидва розгалуження є надпровідними, то струм буде розгалужуватися по них відповідно до їхніх індуктивностей. Якщо тепер кріотрон К₁ на короткий час перевести в нормальний стан, то загальний струм піде по правому ланцюзі. Такий розподіл струму буде стабільним доти , поки , скажемо, кріотрон К₂ не буде переведений у нормальний стан керуючим імпульсом, поданим на його котушку. Такий імпульс перекидає струм у лівий ланцюг.

За допомогою кріотронів К₃ і К₄ можна визначати, у якому ланцюзі тече надпровідний струм, тобто робити операцію зчитування. Кріотрон , керований струмом , що протікає по даному розгалуженню , знаходиться в нормальному стані і при подачі на нього імпульсу зчитування дасть сигнал у виді напруги. Кріотрон в іншому ланцюзі залишається у надпровідному стані. Дротовий кріотрон є простий по конструкції. Поряд з цим він відрізнявся малою розсіюючою тепловою потужністю при переході в нормальний стан. І все-таки для кріоЕОМ дротові кріотрони виявилися непридатними - вони працювали занадто повільно. У змаганні із швидкодіючими напівпровідниковими елементами дротовий кріотрон програє. І не тому, що "повільна" сама надпровідність: перехід дротини з одного стану в другий відбувається дуже швидко. Швидкодія кріотронного перемикача визначається його сталою часу ф = L/R, де L - індуктивність керуючої обмотки, a R - опір вентиля в нормальному стані. У дротових кріотронів ф = 10^-3...10^-4 с - це явно недостатньо для їхнього застосування в сучасних машинах. Щоб зменшити постійну часу ф, необхідно гранично збільшити опір R і зменшити індуктивність.

Цю задачу можна вирішити, якщо замість дротин у кріотроні використовувати тонкі плівки, отримані напилюванням у вакуумі. Такий плівковий кріотрон показаний на рисунку 19.

Рис .19

Вентиль тут виконаний у виді тонкої плівки олова, нанесеної на підкладку, а керуючим елементом служить свинцева плівка, що може розташовуватися або перпендикулярно вентилю (поперечний кріотрон, рис. 19,а), або паралельно (подовжній кріотрон, рис. 19,б). Зміною струму через керуючу плівку можна переводити вентиль із надпровідного стану у нормальний і навпаки , тобто включати і виключати ланцюг. Обидві плівки відділені одна від одної тонким шаром ізолятора (звичайно це окис кремнію) . Вони мають товщину порядку 10^-7 - 10^-9 м, а тому малу індуктивність і високий опір.

2.7 Надпровідні об'ємні резонатори

Об'ємні резонатори знаходять застосування в мікрохвильовій техніці як елементи настройки і фільтри. Смуга частот і добротність об'ємних резонаторів визначається величиною їхнього поверхневого опору. З цієї причини поряд з гарними провідниками (такими, як Сu, Ag і Аl) як матеріали для конструювання об'ємних резонаторів особливо високої якості використовуються також надпровідники . Для цих цілей немає необхідності використовувати тверді надпровідники, тому велика частина досліджень проводилася з оловом. Поверхневий опір надпровідника при гелієвих температурах в області дуже високих частот відмінний від нуля і винятково сильно залежить від стану поверхні провідника.

2.8 Надпровідні екрани для магнітних полів

Як відомо, магнітні поля не проникають у надпровідники, і це дає ідеальну можливість використовувати їх як екрани для магнітних полів. Як уже згадувалося, сильне магнітне поле можна екранувати тільки за допомогою твердих надпровідників; при цьому не вимагаються високі значення критичного струму (чи, відповідно, густини струму). У більшості випадків досить листа заліза, покритого тонким шаром твердого надпровідника. Такі екрани можуть знайти цікаві застосування також в електронній оптиці й електронній мікроскопії: краща екранізація дозволяє здійснити більш точне коректування ходу променів.

ВИСНОВКИ

У багатьох металів і сплавів при температурах, близьких до абсолютного нуля, спостерігається різке зменшення питомого опору. Це явище одержало назву надпровідності, а температуру Т_к , при якій відбувається перехід у надпровідний стан, називають критичною температурою переходу.

Якщо в кільці з надпровідника індукувати електричний струм (наприклад, за допомогою магнітного поля), то він не буде згасати протягом тривалого часу. По швидкості зменшення магнітного поля наведеного в кільці струму була зроблена оцінка питомого опору матеріалів у надпровідному стані . Його значення склало близько 10^-25 Ом·м, що в 1017 разів менше опору міді при кімнатній температурі.

Явище надпровідності можна зрозуміти й обґрунтувати тільки за допомогою квантових представлень. Майже піввіку з моменту відкриття сутність цього явища залишалася нерозгаданою через те, що методи квантової механіки ще не повною мірою використовувалися у фізиці твердого тіла. Мікроскопічна теорія надпровідності, що пояснює всі експериментальні дані, була запропонована в 1957 р. американськими вченими Бардіним, Купером і Шріффером .

Найважливіша особливість надпровідників полягає в тому, що зовнішнє магнітне поле повністю не проникає в товщину зразка, затухаючи в найтоншому шарі. Силові лінії магнітного поля обгинають надпровідник. Це явище одержало назву ефекту Мейснера .

Одне з головних застосувань надпровідників зв'язано з одержанням дуже сильних магнітних полів. Надпровідні соленоїди дозволяють одержувати однорідні магнітні поля напруженістю понад 10⁷ А/м у досить великій області простору, у той час як межею звичайних електромагнітів із залізними сердечниками є напруженості порядку 10⁶ А/м. При цьому , у надпровідних магнітних системах циркулює незатухаючий струм, тому не потрібно зовнішнього джерело живлення. Надпровідні соленоїди дозволяють значною мірою зменшити габарити і споживання енергії в синхрофазотронах і інших прискорювачах елементарних частинок. Перспективне використання надпровідних магнітних систем для утримання плазми в реакторах керованого термоядерного синтезу, у магнітогідродинамічних перетворювачах теплової енергії в електричну, як індуктивні нагромаджувачі енергії для покриття пікових потужностей у масштабах великих енергосистем. Широкий розвиток одержують розробки електричних машин із надпровідними обмотками збудження. Застосування надпровідників дозволяє виключити з машин сердечники з електротехнічної сталі, завдяки чому зменшуються в 5-7 разів їхня маса і габаритні розміри при збереженні потужності. Економічно обґрунтоване створення надпровідних трансформаторів, розрахованих на високий рівень потужності (десятки-сотні мегават). Розроблено досвідчені зразки імпульсних надпровідних котушок для живлення плазмових гармат і систем накачування твердотільних лазерів. У радіотехніці використовують надпровідні об'ємні резонатори, що володіють, завдяки мізерно малому електричному опору, дуже високою добротністю. Принцип механічного виштовхування надпровідників з магнітного поля покладений в основу створення надшвидкісного залізничного транспорту на "магнітній подушці". Широкі перспективи застосування надпровідників відкриває вимірювальна техніка. Доповнюючи можливості наявних вимірювальних засобів, надпровідні елементи дозволяють реєструвати дуже тонкі фізичні ефекти, вимірювати з високою точністю й обробляти велику кількість інформації. Можна назвати ще дуже багато приладів де використовується явище надпровідності. Але найцікавішим є те , що коло цих приладів безупинно розширюється.

ЛІТЕРАТУРА

1. Мнеян М.Г.Сверхпроводники в современном мире .- М.: Просвещение, 1991 . -159 с.

2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. - М.: Высшая школа, 1980. - 406 с.

3. Буль Б .К. , Тареева Б.М. Сверхпроводимость и её применение в электротехнике. - М. -Л.: Энергия, 1964. - 216 с.

4. И.М. Дмитренко. В мире сверхпроводимости. - К.: Наукова Думка, 1981.

5. М. Уилсон. Сверхпроводящие магниты. - М.: Мир, 1985. - 405 с.

6. П. Де Жен. Сверхпроводимость металлов и сплавов. - М.: Мир, 1968. - 280 с.

7. Дж. Шриффер. Теория сверхпроводимости. -М.: Наука, 1970. - 312 с.