Опубликовано

Сверхпроводники в электроэнергетике

Европейские ученые создали магнитный плащ-невидимку

Словацкие и испанские ученые разработали «плащ-невидимку», который состоит из цилиндрических слоев сверхпроводника и ферромагнетика и позволяет скрыть предмет от магнитного поля
За последнее десятилетие физики разработали сразу несколько устройств, позволяющих скрыть тот или иной объект от электромагнитного излучения в узком диапазоне частот. Так, американские физики в 2009 году создали кремниевое покрытие, делающее предмет невидимым в инфракрасном диапазоне частот.
В 2010 году был создан первый трехмерный «стелс»-плащ, в 2011 году ученые научились скрывать объекты от течения времени, а уже в этом году — от микроволнового излучения, передает РИА Новости.
Группа физиков под руководством Альваро Санчеза из Автономного университета Барселоны разработала технологию, позволяющую скрыть трехмерный объект произвольной формы от магнитного поля, вырабатываемого природными магнитами или постоянным током.
Санчез и его коллеги экспериментировали с метаматериалами и другими экзотическими формами материи и обнаружили, что довольно простая комбинация из сверхпроводника и ферромагнетика обладает необходимыми «стелс»-свойствами.
Как объясняют ученые, сверхпроводники обладают особыми магнитными свойствами и не пропускают магнитное поле через себя. Тем не менее, они не могут использоваться в качестве магнитного «стелс»-покрытия — сверхпроводники искажают близкие к ним линии поля, и по этим помехам такой «плащ» можно будет засечь.
Ученые смогли преодолеть эту проблему при помощи тандема из цилиндра из сверхпроводника и покрывающего его слоя ферромагнетика. По словам исследователей, ферромагнетики являются своеобразным антиподом сверхпроводников — они притягивают линии магнитного поля, а не отталкивают их. Точно подобранная толщина слоя ферромагнетика позволяет нейтрализовать искажение линий поля, которые возникают из-за действия сверхпроводника.
Ученые реализовали свои идеи на практике, собрав магнитный плащ-«невидимку» из нескольких ленточек высокотемпературного сверхпроводника, наклеенных на цилиндр из сплава железа, хрома и никеля. Физики охладили свое изобретение до 77 градусов Кельвина (минус 196 градусов Цельсия), поместили его в поле двух постоянных магнитов и измерили силу магнитного поля внутри устройства.
Плащ-«невидимка» проявил себя очень хорошо — он подавлял магнитное поле не только в пределах самого устройства, но и даже за его границами.
Санчез и его коллеги полагают, что их изобретение может применяться для магнитного экранирования чувствительных научных приборов. Отсутствие ограничений по размеру и промышленно доступные материалы позволяют изготовлять и использовать такие «плащи» уже сейчас.
Почему мы устаем, сидя дома?

Часто мы замечаем, что, даже находясь целый день дома и ничего, в сущности, не делая, на нас накатывает усталость, хочется просто лечь на диван перед телевизором и абсолютно ничего не делать.
Согласно простейшим законам физики, энергия не появляется из ниоткуда и не уходит в никуда. Другими словами, только движение может придать вам сил и наполнить энергией. Казалось бы, целый день вы работали в офисе за компьютером, и самой сложной физической нагрузкой было сделать себе чай или кофе. Однако, на самом деле, именно бездействие заставляет вас чувствовать себя уставшими.
Когда же вы, наконец, пришли домой, первым делом хочется сменить компьютерную мышку на пульт и сесть перед экраном того же телевизора, заменяющего обожаемый вами монитор компьютера. Возможно, следует задуматься над причинами такой усталости?
Ведь, будь ваша усталость вызвана физическими нагрузками, тогда все ясно – организм порядком вымотался и ему нужно отдохнуть. Но если целый день вы сидели в удобном кресле за компьютером, а в конце дня чувствуете себя так,
будто разгружали вагоны на вокзале, значит, усталость подпадает под категорию психологической, и с этим можно и нужно бороться.
Источники энергии у человека могут быть различными. К примеру, когда с утра в метро вы за считанные доли секунд преодолеваете расстояние от турникетов до закрывающихся дверей вагона, на вас работает анаэробная энергия. Выработка этой энергии основана на глюкозе, гликогене и жирных кислотах.
Основным топливом для организма человека является аденозин трифосфат (АТФ), действующий на углеводах (в частности, на глюкозе). Но при недостатке энергии организм переходит в режим использования анаэробной энергии, так как глюкоза позволяет выделить только 4 калории на грамм, а жиры – 9 калорий, то есть организм, использую анаэробную энергию, сжигает больше жиров и в дополнение получает больше энергии.
Нехватка энергии в основном вызвана нерациональными физическими нагрузками, нездоровым питанием, а также неправильным образом жизни. Положительных результатов в борьбе с усталостью можно добиться даже при внесении самых незначительных изменений в свою жизнь.
Например, нехватка жидкости приводит к дегидратации организма, результатом которой является утрата энергии и потеря ориентации. Средняя ежедневная норма потребления жидкости составляет 2 литра, поэтому старайтесь придерживаться этой нормы.
Не следует отказываться от еды или делать значительные перерывы в питании, так как пища насыщает ваш организм энергией, а отказ от еды вызывает состояние сонливости и подавленности. Нормальный режим питания должен состоять из 5 небольших приемов пищи (около 200-400 калорий каждый).
Не забывайте о том, что организм полностью восстанавливается как минимум после 8 часов ночного сна.
Старайтесь не забывать о пользе физических упражнений. В случае если вы не можете посещать спортзалы или бассейны, постарайтесь выделить время хотя бы на 15-20 минут для утренней зарядки.
Помните, что важно всегда оставаться в хорошем настроении. Постарайтесь вспомнить детские годы и позвоните другу, чтобы поговорить ни о чем, разыграйте того же друга, если не удалось поговорить ни о чем, предложите любимому/любимой покувыркаться на полу – просто так, потому что у вас хорошее настроение. Прежде всего, нужно научиться делать что-то спонтанное, изменять вещи и привычки, которые вам, как оказалось, приходятся совершенно не по вкусу.
Помните, что злоупотребление алкогольными напитками ведет к ощущению усталости и попытайтесь избегать их злоупотреблений. То же самое относится к сладкому – вместо шоколадки вполне можно скушать йогурт или яблоко.
Почему мусульманам нельзя носить золото?

Как известно, мусульманские законы очень строгие. Здесь существует такое большое количество всевозможных запретов, что поначалу даже диву даешься – а как мусульмане вообще так живут? Например, им нельзя есть свинину и носить золото. Стоп. Если взглянуть на восточных девушек, то окажется, что на них уйма золотых украшений. Что же это за запрет такой?
Дело в том, что девушкам действительно разрешено ходить в золоте. Более того, они обязаны носить шелковый платок. Многие феминистки считают, что восточные женщины ущемлены в своих правах, их в чем-то даже можно сравнить с рабынями. Так это или нет, пусть разбираются правозащитники, однако отметим, что любимая жена является объектом постоянной заботы со стороны мужа, который регулярно дарит ей подарки в виде золотых украшений и шелковых платков. В тоже время мусульманину запрещено носить золото, включая обручальное кольцо. Но почему?
Оказывается, что законы этой религии не разрешают мужчине быть похожим на женщину, поэтому украшения в восточных странах считаются самым настоящим грехом, хотя в них разрешено ходить слабому полу. Мужчине же необходимо доказывать свою значимость и состояние при помощи поступков, слов и красоты своей жены. Считается, что все деньги и силы он должен отдавать любимой женщине и детям. Тем не менее, если мусульманин захочет носить драгоценные металлы, он может это сделать. Вот только это будет не золото, а, например, серебро.
Стоит отметить, что в наши дни этим правилам мусульмане практически не следует, разве что самые религиозные. Поэтому нередки случаи, когда мужчина с удовольствием носит золотые часы, кольца или кулоны
Как было изобретено прозрачное саке

Как–то на рубеже 16 и 17 веков Японии один обедневший самурай решил начать варить сакэ. Дела шли ни шатко ни валко. Однажды он обругал за что–то своего слугу. Тот затаил злобу и решил испортить товар. Ночью он засыпал в бочку с напитком золы. Надо сказать, что в то время могли изготавливать лишь мутное сакэ. Хозяин же утром обнаружил, что жидкость в бочке, на дне которого лежала зола, стала прозрачной и приобрела особый аромат. Так была открыта технология производства прозрачного сакэ.
Проделка слуги принесла начинающему торговцу процветание. Деньги от продажи сакэ вкладывались в торговлю и перевозки, затем в финансовые операции. Через сто с чем–то лет торговый дом Коноикэ был богатейшим в Японии. Вскоре и центральное правительство, и практически все князья были его должниками.
В 19 веке один предприимчивый самурай «выбил» у семьи Коноикэ крупную сумму для нужд своего клана. Судя по всему, деньги были потрачены с толком. Торговая компания клана, через несколько названная Мицубиси («Три чилима»), выросла в одну из крупнейших финансово–промышленных групп в истории. Среди продукции компаний этой группы — и пиво Кирин, и фотоаппараты Никон, и внедорожники Паджеро. Забавно, что опосредованно своим появлением они, похоже, обязаны пакостному слуге…
Обнаженная дуэль

В 1806 году на скачках Брайтоне между двумя английскими джентльменами — членом Парламента Хамфри Ховартом и Графом Бэрриморским разгорелся спор, который было принято решить с помощью дуэли. Она была назначена на утро.
На дуэль достопочтенный Граф явился на место в сюртуке и цилиндре, а Ховарт явился совершенно голым. Несколько лет проработав военным хирургом, член парламента Хамфри из своего опыта знал, что зачастую к летальному исходу приводит не столько сама пуля, сколько последующее загрязнение и загнивание раны. Развитие инфекции может быть подстегнуто, в том числе, попаданием под кожу вместе со снарядом нитей и кусочков одежды.
Дуэль не состоялась: Граф не захотел стрелять в человека без штанов и уж тем более не хотел пасть от рук нудиста. Ховарт тоже не горел желанием стреляться. Они пожали друг другу руки и на этом инцидент был исчерпан.
Этот случай вошел в историю как «обнаженная дуэль»
Вчерашняя подборка Интересных фактов находится

Эффект Мейснера — выталкивание сверхпроводника из магнитного поля

Изображение: Kiyoshi Takahase Segundo / Alamy / Nature

Михаил Еремец, Александр Дроздов и их коллеги из Института химии общества Макса Планка (Майнц, Германия) обнаружили рекордную высокотемпературную сверхпроводимость у сероводорода. Вещество, сжатое высоким давлением, переходит в сверхпроводящее состояние при температуре –70°C (203 кельвина). Работа опубликована в журнале Nature, кратко с историей исследования можно ознакомиться в обзоре работы.

Авторы опубликованной работы продемонстрировали, что при температуре 203 кельвина и давлении 1,5 миллиона атмосфер происходит переход сероводорода в сверхпроводящее состояние. Это удалось подтвердить по двум основным признакам — резкому падению электрического сопротивления и появлению эффекта Мейснера. Последний заключается в выталкивании сверхпроводников из магнитного поля (именно на этом эффекте работает левитирующий ховерборд, недавно представленный компанией Lexus).

Препринт работы был опубликован еще в декабре прошлого года. Он вызвал оживленный интерес научного сообщества — сероводород, сильно отличающийся по своим свойствам от традиционных высокотемпературных сверхпроводников (керамик на основе оксидов и пниктидов металлов), оказался обладателем рекордной критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние, пусть и под высоким давлением. Перед публикацией статьи в Nature результат проверили четыре независимые группы экспериментаторов — три в Китае и одна в США.

Крайне интересным фактом оказалось то, что наблюдаемый эффект можно объяснить в рамках теории Бардина-Купера-Шрифера, используемой для низкотемпературной сверхпроводимости, если внести в нее несколько модификаций. Эта теория объясняет механизм возникновения пар электронов (куперовских пар) под действием колебаний кристаллической решетки материала. Первый из электронов притягивает к себе положительно заряженный атом в узле решетки, и вызывает колебание, передающееся на большое (по меркам атомов) расстояние. Это колебание в какой-то момент «толкает» второй электрон. Так две частицы оказываются связаны между собой. Именно куперовские пары обеспечивают протекание электрического тока без потерь. Раньше считалось, что эта теория пригодна лишь для материалов, температура перехода которых не превосходит нескольких десятков кельвинов.

На данный момент существуют новые предсказания, основанные на сверхпроводимости сероводорода. Так, например, согласно работе Чжана (Даллас) и Югуй Яо из Пекинского технологического института, при замене в сероводороде 7,5 процентов атомов серы на фосфор и повышении давления до 2,5 миллионов атмосфер удастся достигнуть сверхпроводимости при +7°C. Эта отметка близка к достижению важной цели — созданию комнатно-температурного сверхпроводника.

До открытия сверхпроводимости у сероводорода материалом-рекордсменом был один из купратов (слоистых соединений на основе оксида меди), открытый в 1993 году Сергеем Путилиным и Евгением Антиповым на Химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова. При обычном давлении HgBa2Ca2Cu3O8+x обладает температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 133 кельвинов (–140 °C), а при повышенном давлении — 164 кельвина (–109 °C).

Сверхпроводимость в электроэнергетике: настоящее и будущее

Общая закономерность нашего времени сокращение разрыва между тем или иным открытием и его внедрением. Когда-то этот интервал достигал сотен лет, теперь он снизился до минимума. Так, например, внедрение фотографии отстало от ее открытия на 112 лет. Минеральные удобрения стали применяться через 70 лет после их создания, телефонная связь — через 50 лет, радиовещание — через 35, радиолокация через 15, телевидение — через 12, атомная бомба — через 6 лет, транзистор — через 3, а лазер — всего через 2 года.

Начало технического применения сверхпроводников относится 1955 г., когда с их помощью был создан первый элёктромагнит. С момента открытия сверхпроводимостей до ее внедрения прошло 56 лет. В чем же дело?

По мнению некоторых английских физиков, это запаздывание объясняется двумя причинами: недостаточным развитием криогенной техники и открытием только мягких, чистых сверхпроводников. О материалах жестких, обладающих технически приемлемыми параметрами, стало известно лишь в 1930 г., и только через четверть века после этого проводники из таких материалов действительно удалось создать. И сразу был построен и успешно испытан соленоид со сверхпроводящей обмоткой. Техническая сверхпроводимость родилась.

Таким образом, изобретение и начало применения технически пригодных сверхпроводящих материалов совпали во времени (1955 г.). Но фактическое изобретение сверхпроводников произошло, пожалуй, позже. Ведь только в 1963 г. удалось создать действительно работоспособные провода, которые пришлось меднить для термостабилизации. Парадоксально, но факт: внедрение сверхпроводников началось на восемь лет раньше их фактического открытия.

Сегодня сверхпроводники практически используются в физике, где уже много лет эксплуатируются крупные исследовательские установки, новые приборы. Из печати известно единичных применениях сверхпроводящих электродвигателей, гироскопов, соленоидов на морских судах, летательных аппаратах. В медицине появились сверхпроводящие измерители магнитных полей, создаваемых живыми организмами.

Весьма актуально применение сверхпроводников в энергетике, на транспорте. Здесь подготовительные работы ведутся уже много лет, однако новые машины и кабели еще не эксплуатируются. Почему?

Можно назвать немало причин, отодвигающих дату массового использования сверхпроводников в народном хозяйстве. Так, например, было нелегко разработать теорию сверхпроводимости, но не менее трудно инженерам освоить эту теорию. Неожиданно сложной задачей стало конструирование сверхпроводящих проводов, другого слова не подберешь для процесса создания многоэлементарной композиции из разных металлов. Производство сверхпроводящих лент, шин и проводов потребовало разработки специальной технологии, создания особых станков и даже новых производств.

Большие трудности связаны с криогенным обеспечением сверхпроводящих объектов, ведь сверхпроводимость возникает только при очень низких температурах. Потребовались ультрарефрижераторы большой мощности.

Развитие криогенной техники немыслимо без использования глубокого вакуума, поэтому нужно научиться его получать и сохранять. И конечно, измерения: нужны особые датчики и приборы, контрольные провода, которые проходят через полости с разными температурами.

Но когда удастся преодолеть все эти трудности, совсем непросто будет решить электротехническую проблему. До сих пор в электротехнике больших мощностей обычно используют токи в десятки-сотни ампер, а по сверхпроводникам технически и экономически выгодно передавать токи в тысячи раз большие. Но нужны ли столь многоамперные установки?

Такие установки существуют, но их немного. Создать их непросто, потому что токонесущая способность традиционных проводников, меди и алюминия, ограничена. Теперь, когда с помощью сверхпроводников можно многократно повысить плотности токов и сами токи, было бы реальным говорить о модернизации всех объектов электроэнергетики от электростанции до потребителей. Но нужна ли такая перестройка? Если нет, то зачем создавать сверхпроводящие электротехнические агрегаты?

Такие агрегаты должны быть многоамперными, это бесспорно. Ведь сверхпроводники прекрасный проводниковый материал. Но электрические цепи рассчитаны на небольшие токи и очень высокие напряжения. Что же, встраивать многоамперные объекты в малоамперные цепи? Нереально. А полная перестройка всего электрооборудования энергетики задача огромной трудности. Неужели сверхпроводники найдут себе место только в уникальных физических установках?

Однако трудности проблемы, связанные с внедрением сверхпроводников, постепенно разрешаются. Когда начали проводиться прикладные работы со сверхпроводниками, особенно остро ощущалось отсутствие подготовленных кадров, новых материалов, оборудования и приборов. Но все же одна за другой возникали небольшие модели. Появился устойчивый спрос на новые провода, ожижители, приборы и датчики. Физики и математики подключились к решению чисто практических задач: определению критических полей и токов, оценке потерь на переменном токе, расчетам термостабильного поведения сверхпроводников в жидком гелии.

Сегодня в мире проблемами технической сверхпроводимости заняты сотни научных коллективов. Определены долгосрочные планы исследований, сформулированы цепи работ, готовы перечни объектов, подлежащих внедрению.

В целом можно считать, что поисковые работы, необходимые для создания головных образцов сверхпроводники техники, выполнены примерно на 30-50%. Среди созданных моделей электромагниты для физических исследований и для турбогенераторов, двигатели, сверхпроводниковые трансформаторы и участки кабелей, подшипники и приборы.

«Следующие несколько лет будут решающими для перехода сверхпроводников из лабораторий в промышленность для крупномасштабных применений», — считает дважды лауреат Нобелевской премии Дж. Бардин.

Про будущее сверхпроводимости читайте в следующей статье.

Михаил Чернов, http://electrik.info

Продолжение:

Будущее за сверхпроводниками

>Сверхпроводимость это. Подтверждено: создан сверхпроводник, работающий при «Земной» температуре.

Сверхпроводимость это. Подтверждено: создан сверхпроводник, работающий при «Земной» температуре.

Физики обнаружили материал, который становится сверхпроводящим при температуре немногим выше, чем самая холодная температура на земле. Это открытие может ознаменовать новую эру изучения сверхпроводимости. Мир сверхпроводимости загудел. В прошлом году Михаил еремец и пара его коллег из института химии Макса планка в Майнце, Германия, сделали необычные заявление о наблюдении сверхпроводящего сероводорода при — 70 градусах по цельсию
. Это на 20 градусов выше любого другого материала, за которым остается текущий рекорд.

Результаты работы ученых начали обсуждать в прошлом декабре, когда их впервые разместили на Arxiv. На тот момент физики осторожно о своей работе высказывались. История сверхпроводимости усеяна трупами сомнительных заявлений о высокотемпературной активности, которые впоследствии оказалось невозможно воспроизвести.

С тех пор прошло довольно много времени, еремец и коллеги упорно трудились, чтобы соорудить окончательные и убедительные доказательства. Несколько недель назад их работа была опубликована в журнале Nature, тем самым поставив штамп респектабельности, необходимой в современной физике. Сверхпроводники снова в заголовках замелькали.

Антинио бьянцони и Томас ярлборг из римского международного центра материаловедения в Италии сделали обзор своей захватывающей области работы. И проделали теоретическую работу, разъясняющую труды еремца и его коллег.

Для начала немного предыстории. Сверхпроводимость — это явление нулевого электрического сопротивления, которое встречается в некоторых материалах, когда они охлаждаются ниже критической температуры.

Это явление хорошо известно в обычных сверхпроводниках, которые по сути являются жесткими решетками положительных ионов, купающихся в море электронов. Электрическое сопротивление возникает, поскольку электроны врезаются в эти решетки и теряют энергию по мере движения через нее.

Однако при низких температурах электроны могут соединяться друг с другом с образованием куперовских пар. В то же время решетка становится достаточно жесткой, чтобы позволить когерентное движение волн, называемых фононами.

Сверхпроводимость рождается, когда куперовские пары и фононы путешествуют вместе через материал, и волны существенно расчищают путь для электронных пар. Это наступает, когда вибрации решетки — ее температура — становится достаточно сильной, чтобы разорвать куперовские пары. Это критическая температура.

До недавнего момента самой высокой критической температурой такого рода была отметка в — 230 градусов по цельсию (40 по Кельвину.

Существует три основных характеристики, которые ищут ученые для подтверждения сверхпроводимости материала. Первая — внезапное падение электрического сопротивления, когда материал охлаждается ниже критической температуры. Вторая — вытеснение магнитного поля из материала, эффект, известный как эффект мейснера.

Третья — изменение критической температуры, когда атомы в материале заменяются изотопами. Происходит это потому, что разница в массе изотопов приводит к тому, что решетка вибрирует по-разному, что меняет критическую температуру.

Но есть еще один вид сверхпроводимости, гораздо менее понятный. Он включает определенные керамические вещества, обнаруженные в 1980-х годах, которые становятся сверхпроводящими при температурах до — 110 градусов по цельсию. Никто на самом деле не понимает, как они работают, но большая часть исследований в сообществе сверхпроводимости сосредоточена на этих экзотических материалах.

Еремец и его коллеги, скорее всего, изменили расстановку позиций. Возможно, самым большим сюрпризом в их прорыве стало то, что он не включает «Высокотемпературный» сверхпроводник. Он включает обычный сероводород, за которым никогда не замечали, чтобы он был сверхпроводником при температурах выше 40 градусов по Кельвину.

Еремец и его коллеги достигли своей цели, сжав этот материал под давлением, которое существует только в центре земли. В то же время им удалось обнаружить доказательства всех важнейших характеристик сверхпроводимости.

А пока их эксперименты продолжаются, теоретики ломают голову, пытаясь это объяснить. Многие физики считали, что была некая теоретическая причина того, почему традиционные сверхпроводники не могут работать при температуре выше 40 градусов по Кельвину. Но оказалось, что в теории нет ничего, что препятствует работе сверхпроводников при более высоких температурах.

В 1960-х годах британский физик Нил эшкрофт предсказал, что водород должен быть в состоянии сверхпроводить при высоких температурах и давлениях, возможно, даже при комнатной температуре. Его идея заключалась в том, что водород настолько легкий, что должен образовывать решетку, способную вибрировать при очень высоких частотах и, следовательно, становиться серхпроводником при высоких температурах и давлениях.

Еремец и его коллеги, похоже, подтвердили эту идею или по крайней мере что-то вроде этого. Есть множество теоретических складок, которые нужно убрать, прежде чем физики смогут сказать, что имеют правильное понимание происходящего. Теоретическая работа продолжается.

Теперь гонка заключается в поиске других сверхпроводников, которые будут работать при еще более высоких температурах. Одним из перспективных кандидатов является H3S (а не H2S, над которым изначально работал еремец.

И, конечно, физики начинают думать над применениями. Использовать такие материалы весьма непросто, и не только потому, что они являются сверхпроводниками при высоких давлениях.

Но фантазировать не мешает ничего. «Это Открытие Имеет Значение не Только для Материаловедения и Конденсированной Материи, но и в Других Сферах, от Квантовых Вычислений до Квантовой Физики Живой Материи», — говорят бьянцони и ярлборг. Они также выдвигают интересную идею, что такой сверхпроводник работает при температуре, которая на 19 градусов выше самой холодной температуры на земле.

Возможно, в ближайшие месяцы и годы мы услышим еще много интересного о сверхпроводниках.

Сверхпроводимость при комнатной температуре. Получен сверхпроводник работающий при комнатной температуре

Сверхпроводимость — это одно из самых загадочных, замечательных и перспективных явлений. Сверхпроводящие материалы, не имеющие электрического сопротивления, могут проводить ток практически без потерь, и это явление уже используется в практических целях в некоторых областях, к примеру, в магнитах установок ядерной томографии или ускорителей частиц. Однако, существующие сверхпроводящие материалы для того, чтобы обрести свои свойства, должны быть охлаждены до крайне низких температур. Но эксперименты, проведенные учеными в течение этого и прошлого года, привели к получению некоторых неожиданных результатов, которые могут изменить положение, в котором находятся сейчас технологии использования сверхпроводников.

Международная группа ученых, возглавляемая учеными из института Структуры и динамики материи Макса Планка (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter), работая с одним из самых перспективных материалов — высокотемпературным сверхпроводником окисью меди-бария-иттрия (YBa2Cu3O6+x, YBCO), обнаружила, что воздействие на этот керамический материал импульсов света инфракрасного лазера заставляет некоторые атомы этого материала кратковременно изменить свое положение в кристаллической решетке, увеличивая проявление эффекта сверхпроводимости.

Кристаллы соединения YBCO имеют весьма необычную структуру. Снаружи этих кристаллов присутствует слой окиси меди, покрывающий собой промежуточные слои, в которых содержатся барий, иттрий и кислород. Эффект сверхпроводимости при облучении светом лазера возникает именно в верхних слоях окиси меди, в которых происходит интенсивное формирование пар электронов, так называемых пар Купера. Эти пары могут перемещаться между слоями кристалла за счет эффекта туннелирования, и это указывает на квантовую природу наблюдаемых эффектов. И в обычных условиях кристаллы YBCO становятся сверхпроводниками только при температуре, ниже критической точки этого материала.

В экспериментах, проведенных в 2013 году, ученые обнаружили, что освещение кристалла YBCO импульсами мощного инфракрасного лазера заставляет материал кратковременно становиться сверхпроводником и при комнатной температуре. Очевидно, что лазерный свет оказывает влияние на сцепление между слоями материала, хотя механизм этого влияния остается пока еще не до конца ясным. И для выяснения всех подробностей происходящего ученые обратились к возможностям лазера LCLS, самого мощного на сегодняшний день рентгеновского лазера.

«Мы начали «бить» по материалу импульсами инфракрасного света, который возбудил некоторые из атомов, заставив их колебаться с достаточно сильной амплитудой»
— рассказывает Роман Манковский (Roman Mankowsky), ученый-физик из института Макса Планка, — «Затем мы использовали импульс рентгеновского лазера, следующий сразу за импульсом инфракрасного лазера, для измерения точного значения смещений, произошедших в кристаллической решетке».

Полученные результаты показали, что импульс инфракрасного света не только возбудил и заставил колебаться атомы, его воздействие привело к смещению из положения в кристаллической решетке. Это сделало на очень кроткое время меньшим расстояние между слоями оксида меди и другими слоями кристалла, что в свою очередь привело к увеличению проявления эффекта квантового сцепления между ними. В результате этого кристалл становится сверхпроводником при комнатной температуре, правда это его состояние способно держаться всего несколько пикосекунд времени.

«Полученные нами результаты позволят нам внести некоторые изменения и усовершенствовать существующую теорию высокотемпературных сверхпроводников. Кроме этого, наши данные окажут неоценимую помощь ученым-материаловедам, разрабатывающим новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы, имеющие высокое значение критической температуры» — рассказывает Роман Манковский, — «И, в конечном счете, все это, я надеюсь, приведет к осуществлению мечты о сверхпроводящем материале, работающем при комнатной температуре, который совершенно не нуждается в охлаждении. А появление такого материала, в свою очередь, сможет обеспечить массу прорывов в великом множестве других областей, использующих в своих интересах явление сверхпроводимости».

Электролиз это. Что такое электролиз

Для того чтобы понять что такое электролиз, необходимо объединить вместе знания о физических и химических процессах. Как следует из самого термина, электролиз происходит при участии электрического тока в качестве организующего и стимулирующего начала.

Определение электролиза

Любой раствор наполнен частицами, имеющими положительный или отрицательный заряд. Это состояние считается неустойчивым, поскольку противоположно заряженные частицы притягиваются. В результате этого может формироваться нейтрально заряженная частица, то есть молекула нового вещества.

Если поток положительно и отрицательно заряженных частиц сделать организованным, то можно постоянно получать нужные вещества или состояния предметов. Организовать ионы можно только с помощью электричества, то есть создания разницы потенциалов, когда в растворе образуются мощные источники положительно и отрицательно заряженных ионов.

Электролиз — это стимулирование химических процессов с помощью постоянного электрического тока, который заставляет ионы перемещаться в нужном направлении и концентрироваться в одном месте. Так, с помощью внешнего воздействия человек контролирует беспорядочные процессы перемещения частиц в растворе.

В чём заключается процесс

Сам анод может не участвовать в процессе химической трансформации, являясь только источником тока

Для организации процесса перемещения ионов в растворе нужно только два электрода и источник тока. Положительно заряженный электрод, называемый анодом, способствует окислению анионов, то есть отрицательно заряженных частиц, а также нейтральных молекул.

Катод, то есть отрицательно заряженный электрод, притягивает к себе положительно заряженные ионы и нейтральные молекулы.

Особенности процессов, происходящих на катоде, заключаются в том, что здесь восстанавливаются обычно сильные окислители.

Таким образом, с помощью двух пластинок с разницей потенциалов, помещённых в электролит, можно получать новые вещества, менять состояние электродов и раствора.

Для чего он нужен

Электролиз широко применяется для осуществления следующих процессов:

  • Получение веществ в чистом состоянии. Этот процесс используется для того, чтобы обработать горные породы и получить чистые вещества. Так образуются алюминий, двуокись марганца, водород, перекись водорода.
  • Очистка сточных вод. В результате помещения в такие растворы электролитов происходит не только обеззараживание воды, но и образование взвесей, которые выпадают в осадок.
  • Нанесение тонких покрытий. Под воздействием тока ионы металла осаждаются на предмете, формируя тонкую декоративную или защитную плёнку.

Этот список на самом деле гораздо обширней, поскольку с помощью разницы потенциалов можно с минимальными затратами добиваться значительного эффекта для разных целей.

Эффект Мейснера. Сверхпроводники I и II рода

Чистые вещества, у которых наблюдается явление сверхпроводимости, немногочисленны. Чаще сверхпроводимость бывает у сплавов. У чистых веществ имеет место полный эффект Мейснера, а у сплавов не происходит полного выталкивания магнитного поля из объёма (частичный эффект Мейснера). Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный — сверхпроводниками второго рода. Однако стоит отметить, что в низких магнитных полях полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников.

У сверхпроводников второго рода в объёме имеются круговые токи, создающие магнитное поле, которое, однако, заполняет не весь объём, а распределено в нём в виде отдельных нитей вихрей Абрикосова . Что же касается сопротивления, оно равно нулю, как и в сверхпроводниках первого рода, хотя движение вихрей под действием текущего тока создаёт эффективное сопротивление в виде диссипативных потерь на передвижение магнитного потока внутри сверхпроводника, чего избегают вводом в структуру сверхпроводника дефектов — центров пиннинга , за которые вихри «цепляются».

Электрический ток в вакууме

Важнейшими приборами в электронике первой половины ХХ в. были электронные лампы, в которых использовался электрический ток в вакууме. Однако им на смену пришли полупроводниковые приборы. Но и сегодня ток в вакууме используется в электронно-лучевых трубках, при вакуумном плавлении и сварке, в том числе в космосе, и во многих других установках. Это и определяет важность изучения электрического тока в вакууме.

Вакуум (от лат. vacuum — пустота) — состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д

Когда речь идет о вакууме, то почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так. Если из какого-нибудь сосуда откачивать воздух то количество молекул в нем с течением времени будет уменьшаться, хотя все молекулы из сосуда удалить невозможно. Так когда же можно считать, что в сосуде создан вакуум?

Молекулы воздуха, двигаясь хаотически, часто сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Между такими столкновениями молекулы пролетают определенные расстояния, которые называются длиной свободного пробега молекул. Понятно, что при откачивании воздуха концентрация молекул (их количество в единице объема) уменьшается, а длина свободного пробега — увеличивается. И вот наступает момент, когда длина свободного пробега становится равной размерам сосуда: молекула движется от стенки к стенке сосуда, практически не встречаясь с другими молекулами. Вот тогда-то и считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть много молекул. Понятно, что в меньших по размерам сосудах вакуум создается при больших давлениях газа в них, чем в больших сосудах. Если продолжать откачивание воздуха из сосуда, то говорят, что в нем создается более глубокий вакуум. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой. Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Где берутся свободные носители зарядов в вакууме? Если в сосуде создан вакуум, то в нем все же есть немало молекул, некоторые из них могут быть и ионизированы. Но заряженных частичек в таком сосуде для выявления заметного тока мало. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных носителей заряда? Если нагреть проводник, пропуская по нему электрический ток или другим способом , то часть свободных электронов в металле будет иметь достаточную энергию, чтобы выйти из металла (выполнить работу выхода).

Электрический ток в газах это. Электрический ток в газах и плазма

Полностью или частично ионизированный газ называется плазмой и считается четвертым агрегатным состоянием вещества. В целом плазма электрически нейтральна, так как суммарный заряд составляющих ее частиц равен нулю. Это отличает ее от других систем заряженных частиц, таких как, например, электронные пучки.

В природных условиях плазма образуется, как правило, при высоких температурах вследствие столкновения атомов газа на больших скоростях. Подавляющая часть барионной материи во Вселенной пребывает в состоянии плазмы. Это звезды, часть межзвездного вещества, межгалактический газ. Земная ионосфера также представляет собой разреженную слабо ионизированную плазму.

Степень ионизации является важной характеристикой плазмы – от нее зависят проводящие свойства. Степень ионизации определяется как отношение количества ионизированных атомов к общему количеству атомов в единице объема. Чем сильнее ионизирована плазма, тем выше ее электропроводность. Кроме того, ей присуща высокая подвижность.

Мы видим, таким образом, что газы, проводящие электрический ток, в пределах канала разряда являют собой не что иное, как плазму. Так, тлеющий и коронный разряды – это примеры холодной плазмы; искровой канал молнии или электрическая дуга – примеры горячей, практически полностью ионизованной плазмы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *