Superlaidumas referat
5 (100%) 1 vote

Superlaidumas referat

Radioelektronikos katedra

Fizikinės ir funkcinės elektronikos referatas:

Superlaidumas: tyrimai, idėjos, taikymo perspektyvos

Turinys :

1. Įvadas 3

2. Superlaidumo istorija 4

3. Medžiagos 7

4. Superlaidumo pagrindai 11

5. Superlaidumo taikymas 15

6. Naujausi duomenys 20

7. Superlaidumo tyrimai Lietuvoje 21

8. Literatūra 22

Priedas 1 23

Priedas 2 24

1. Įvadas

Dar dvidešimto amžiaus pradžioje, mokslininkai susidūrė su superlaidumu. Tačiau praktiniam fenomeno panaudojimui labai žema temperatūra ,kurioje jis pasireikšdavo, buvo neperžengiamu barjeru. Viskas pasikeitė 1986m. , kai nauja keramikinių superlaidininkų klasė buvo atrasta aukštuose temperatūrose. Taip gimė naujas aukštų temperatūrų superlaidumas (HTS High-Temperature Superconductivity).

Šis darbas skirtas, superlaidumo istorijos, medžiagų, taikymo sričių bei perspektyvų apžvalgai ir analizei. Darbe trumpai aprašysiu, svarbiausiu superlaidumui, atradimų raidą, problemas su kuriomis susidurią superlaidumo mokslas, medžiagas kuriose pasireiškia superlaidumas bei tam reikalingas sąlygas, pačio superlaidumo fiziką, taikymo sritys ir perspektyvas, naujausius atradimus ir galiausia Lietuvoje daromus tyrimus surištus su HTS.

2. Superlaidumo istorija

Dvidešimto amžiaus pradžioje (1911m.), danų fizikas Heike Kamerlingh Onnes aptiko kad atšaldytame iki labai žemos temperatūros (4 Kelvino) gyvsidabryje, dingo jo varža. Su šiuo atradimu prasidėjo superlaidumo tyrimai.

Sekančių dešimtmečių bėgyje, superlaidumas liko įdomiu moksliniu faktu, bet be ryškaus pritaikymo praktikoje. 1960m. buvo pagamintas iš niobio ir alavo pirmas superlaidus laidas. Šis laidas vėliau gaminamas iš niobio ir titano lydinio, inicijavo praktinį superlaidumo pritaikymą.

Paminėtas lydinys, iki šiol naudojamas, priskiriamas prie žemų temperatūrų superlaidininkų. Tokie superlaidininkai turi būti atšaldyti iki 20K (-253C) tam kad taptų superlaidžiais. Jie dabar plačiai naudojami: magnetinio rezonanso atvaizdavimui MRI (Magnetic Resonance Imaging), mašinose ir didelės energijos bei branduolinėje fizikuose. Kitam pritaikymui neperžengiama riba buvo milžiniškos medžiagų atšaldymo išlaidos, surištos su skystuoju heliu, kuris būtinas atšaldymo procese.

Pigaus superlaidumo viltis atsirado po dviejų 1980 – aisiais metais padarytų atradimų. 1986m., du IBM mokslininkai: Alex Müller ir Georg Bednorz, atrado naują superlaidininkų rušį. Priešingai negu žemų temperatūrų superlaidininkai, kurie buvo metaliniai arba pusiau metaliniai, jie buvo keramikiniai ir buvo superlaidus iki pat 35K (238C). Müller ir Bednorz už jų atradimą gavo Nobelio Premiją. Po to 1987m. Paul Chu iš Hiustono Universiteto, atrado mišinį kuris pasižymėjo superlaidumų prie 94K (-179C). Šis atradimas buvo ypač svarbus tuo, kad šią medžiagą galima buvo atšaldyti pigiu ir laisvai prieinamu skystuoju azotu. Keramikinės superlaidžios medžiagos buvo pramintos aukštos temperatūros superlaidininkais HTS (High-Temperature superconductors).

Šiuolaikiniai aukštos temperatūros superlaidininkai vis dažniau iš laboratorijų objekto tampa prekybos objektu. Bismuto pagrindu sudarytos medžiagos, naudojamos superlaidiems laidams bei ritėms gaminti. Iš Talio ir Itrio gaunamos medžiagos, naudojamos kaip superlaidžios dalys elektroniniuose prietaisuose. O 21-me a. superlaidumas žada: superlaidžius variklius, generatorius, energijos kaupimo sistemas, galingus laidus, pakeisti kelią kokiu elektra yra generuojama, perduodama ir naudojama.

Lentelėje nr.1 pateikiu svarbiausius žingsnius ir įvykius surištus su superlaidumu, nuo HTS atradimo iki mūsų laikų.

METAI SVARBIAUSI ĮVYKIAI

1986 HTS superlaidumo atradimas: Lantano-bario-vario-oksidas.

Bednorz & Müller

1987 Itrio-bario-vario-oksido HTS Tc93K

1988 Bismuto-stroncio-kalcio-oksido HTS Tc110K Pirma HTS plona juostelė

1989 Talio-bario-kalcio-vario-oksido HTS Tc125K Pirmas BSCCO/sidabro

HTS laidas

1990 Pradėta HTS ričių gamyba 10-m ilgio BSCCO/sidabro

HTS laidas Pirmas nuolatinės srovės HTS variklis

1991 HTS kintamos įtampos variklis pasiekė 0.03 arklių galę

1992 1-m HTS laidus kabelis Pasaulio rekordas: 2000 A HTS

1993 Pagamintas 100-m ilgio BSCCO/sidabro laidas Pasaulio rekordas: pagaminta

2.5 – teslų HTS ritė Pirmas pasaulyje sinchroninis kintamos srovės variklis (panaudotos HTS ritės 2 arklio jėgos)

1994 1-km ilgio BSCCO/sidabro laidas pernešantis 20kA/

5-arklio jėgų sinchroninis kintamos srovės variklis su HTS ritėmis atšaldytomis iki 77K Laboratorijose sukurti TBCCO laido bandiniai

300kA/

Pademonstruotas

1100A

1 m ilgio

kabelis

1995 Pagaminta elastinga padengta YBCO/IBAD-PLD juosta, praleidžianti plotyje 200 A/cm prie 1miln. A/

Pademonstruotas 2300 A, 1-m ilgio kabelis Pasaulio rekordas: Pademonstruota 3 Teslų ritė Pademonstruotas 2 Teslų šaldytuvo atšaldytas magnetas.

1996 Pademonstruotas 200 arklių jėgų HTS variklis, projektavimo planai viršyti 60 Pademonstruotas 2.4-kV HTS srovės kontroleris,
projektavimo planai viršyti 37 Pastatytas 50-m požeminis HTS perdavimo kabelis

1997 Pagaminta metro ilgio YBCO juosta Pademonstruota 100 A/cm – pločio, su e-spinduliu nusodinimu YBCO ant RABiTS

Pademonstruotas

1-MVA vienos fazės HTS transformatorius Pasaulio rekordas:

4-Teslų HTS ritė prie 4.2 K

1998 Pasiektas 1.8MA/ ( metodu) ir

3.0MA/

YBCO/RABiTS-PLD juostoje Sėkmingas 50 m ilgio HTS kabelio testavimas prie 115kV. Prie 69kV pernešant 3300A nuolatinės srovės, sugebantis pernešti 2000 A kintamą srovę (karštas dielektrikas) Valstijose pagamintų HTS laidų gamyba pasiekia 350 km Pasiekta 1.0MA/

MOCVD technologija

1999 Pramonėje pasiekta 1.9MA/ su MOD (ne vakuume) YBCO juosta ant RABiTS Iš YBCO juostos

(IBAD-PLD): pagamintas segmentas pernešantis 122A/cm -plotyje;

Pasiektas pasaulio rekordas: srovės tankis

42000A/

Testuotas 15kV HTS srovės kontroleris, perdavė 9000 A sudarius defekto sąlygas Pirmas pasaulyje pramoninis (3 fazių 12.5 kV, 1250A) HTS perdavimo kabelis (šaltas dielektrikas)

2000 Pasiekta 1.0MA/

(Ic200A/cm –plotyje) lanksčioje struktūroje sudarytoje iš mažų kainų IBAD, MgO ir PLD YBCO

juostų Išrastas ISD procesas greitam struktūrų šablonų nusodinimui Sukurtas ir testuotas 3 kW

smagratis, elektrinėms sistemoms panaudoti HTS guoliai Pagamintas ir testuotas 1000 arklių jėgų HTS variklis. Paruoštas projektas 5000 arklių jėgų HTS variklis

Legenda:

BSCCO (Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide) Bismuto Stroncio Kalcio Vario Oksidas

HBCCO (Mercury Barium Calcium Copper Oxide) Gyvsidabrio Bario Kalcio Vario Oksidas

HTS (High Temperature Superconductivity) Aukštų Temperatūrų Superlaidumas

Jc – kritinis srovės tankis

K – temperatūra pagal Kelviną

MOD (Metal Organic Deposition) Organinis metalo nusodinimas

PLD (Pulsed Laser Deposition) Nusodinimas Pulsiniu Lazeriu

RABiTS (Rolling – Assisted Biaxially Textured Substrates)

TBCCO (Thallium Barium Calcium Copper Oxide) Talio Bario Kalcio Vario Oksidas

YBCO (Yttrium Barium Copper Oxide) Itrio Bario Vario Oksidas

3. Medžiagos

Superlaidžias medžiagas galime padalinti į dvi grupes. Pirmą grupę sudaro pagrinde grynį metalai, kurie kambario temperatūroje pasižymi tam tikru laidumu. Reikalaujama labai žema temperatūra tam kad sumažinti molekulines vibracijas pakankamai tam kad galimas butu netrukdomas elektronų lėkis (kaip tai vyksta ir dėl ko aprašysiu sekančiame skyriuje). Pirmo tipo superlaidininkai, dar vadinami minkštais, buvo atrasti pirmi ir reikalauja žemesnės temperatūros tam kad tapti superlaidžiais. Jie pasižymi labai staigiu perėjimu į superlaidumo būseną (pav. 1) ir ”tobulu” diamagnetizmu (savybė atstumti magnetinį lauką).

Pirmame priede pateikiu sąrašą žinomų pirmo tipo superlaidininkų kartu su jų kritinės temperatūros ( ) reikšmėmis. Pažymėtina tai kad varis, auksas ir sidabras – geriausi laidininkai, nepasižymi superlaidumu.

Ne visiems metalams užtenka vien labai žemuos temperatūros, tam kad tapti superlaidžiais, yra tokių kuriems superlaidumą pasiekti būtinas aukštas slėgis. Pavyzdžiui pirmo tipo superlaidininkas Siera turintis didžiausią reikšmę (17K), reikalauja 930000 atmosferų slėgio tam kad tapti superlaidžiu ir 1,6 milijono atmosferų tam kad pasiekti tai prie 17K. Periodinė elementų lentelėje (2 pav.) pažymėti visi žinomi pagrindiniai superlaidininkai (tame ir Niobis, Technecis ir Vanadis kurie yra antro tipo superlaidininkais).

2 pav. Žinomos superlaidžios medžiagos

Išskyrus Vanadį, Technecį ir Niobį, antro tipo superlaidininkai tai metalų junginiai ir lydiniai. Taip pat neseniai atrasti superlaidus ”perovskitai” priklauso antrai superlaidininkų grupei. Perovskitai tai didžiulė grupė kristalinės keramikos, savo vardą gavo nuo mineralo vadinamo perovskitu, jie labiausiai paplitę mineralai žemėje ir jų metalo – deguonies atomų santykis lygus 2 – 3. Perovskitai turi didesnę nei 1 tipo superlaidininkai, tačiau to priežastys ne iki galo aiškios. Manoma kad tai sąlygoja planarinis sluoksnių pasiskirstymas kristalinėje struktūroje. Naujausi tyrimai teigia kad atsakingos už aukštesnę kritinę temperatūrą, yra teigiamai įkrautos deguonies skylės krūvio rezervuaruose. Superlaidininkuose krūvio rezervuarai – tai sluoksniai kurie gali kontroliuoti oksidacijos lygį gretimuose sluoksniuose (netgi tada kai patys nėra superlaidus). Superlaidus Vario – Oksidai yra pasiekę stebėtinai aukštą . Esamu laiku didžiausia kritinė temperatūra, esant normaliam (atmosferiniam) slėgiui, lygi 138 K. Viena iš teorijų (V. Kresin) numato temperatūrinę ribą sluoksniuotiems vario-oksidams apie 200 K. Kiti teigia kad tokios ribos nėra. Bet kuriuo atveju, nauji junginiai (labiau perspektyvus) tarp aukštatemperatūrinių superlaidininkų laukia atradimo.

Šio darbo antrame priede pateiksiu eilę 2-tipo superlaidininkų, kartu su jų kritinių temperatūrų reikšmėmis.

Apart aukščiau aprašytų superlaidininkų grupių, yra dar viena tai Atipiniai Superlaidininkai. Trumpai aptarsiu atipinių superlaidininkų rūšys.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 1379 žodžiai iš 4552 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.