Сверхпроводящие материалы и применение сверхпроводников

Введение
«Величайшим триумфом человеческого гения является то, что человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить».
Л. Д. Ландау

Определение
Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения.

Краткая история развития сверхпроводников
Первооткрыватель сверхпроводимости Камерлин-Оннес
Авторы наиболее популярной модели сверхпроводимости (БКШ) – Джон Бардин, Леон Куппер, Джон Шриффер
Родоначальники ВТСП. Лауреаты Нобелевской премии Алекс Мюллер и Георг Беднорц

Нулевое электрическое сопротивление
Свойства сверхпроводников
Электрические кабели для ускорителей в CERN: сверху обычные кабели для Большого электрон-позитронного коллайдера; внизу — сверхпроводящие для Большого адронного коллайдера.

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние
Характер изменения теплоемкости (cv, синий график) и удельного сопротивления (ρ, зеленый), при фазовом переходе в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники I и II рода
Фазовая диаграмма для сверхпроводников 1-го и 2-го рода

Эффект Мейснера
Схема Эффекта Мейснера. Показаны линии магнитного поля и их вытеснение из сверхпроводника, находящегося ниже своей критической температуры.

Эффект Мейснера
Эффект Мейснера чаще всего иллюстрируется вот такой «левитацией» сверхпроводника в магнитном поле.

Эффект Литтла - Паркса
В 1962 году учёными Литтлом и Парксом было обнаружено, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины магнитного потока

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Тс обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего металла.

Момент Лондона
Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B».

Магнитно – вихревая теория
Когда сверхпроводник попадает в магнитное поле, это поле проникает в него в виде тонких потоков, называемых вихрями. Вокруг каждого такого вихря возникают электрические токи. Эти вихри тиражируют себя и рассеиваются, когда температура материала возрастает.

Квантово – механическая теория (теория БКШ)
Ключевым фактором повышения критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние в теории БКШ является энергия связи куперовских пар. Однако в высокотемпературных купратных сверхпроводниках рост энергии связи не приводит к росту температуры перехода из-за электронов, «застрявших в пробках» вблизи атомов меди.

Применение сверхпроводников
ВТСП кабель
Сравнение 3х3 сборки кабельного блока подземной распределительной сети из медного кабеля с одноканальным кабельным блоком ВТСП кабеля на 13 кВ при одинаковой передаваемой мощности в 69 МВА

Применение сверхпроводников
Генераторы переменного тока
В 2005 г был успешно испытан ВТСП синхронный электро-двигатель мощностью 400 кВт

Применение сверхпроводников
ВТСП-кабели (основные проекты)

Применение сверхпроводников
Сверхпроводящие магниты
Магнитно-резонансный томограф на основе использования сверхпроводящего магнита с напряженностью поля 1.5 Тл. Дата изготовления – 2003г.

Применение сверхпроводников
В недалеком будущем сверхпроводимость станет одной из базовых составляющих технического прогресса во многих секторах экономики, и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни