Применение сверхпроводимости в науке и технике
Сверхпроводимостью называется квантовое явление, заключающееся в том, что некоторые материалы при доведении их температуры до определенной критической, — начинают проявлять нулевое электрическое сопротивление.
На сегодняшний день ученым известно уже несколько сотен элементов, сплавов и керамик, способных вести себя подобным образом. Перешедший в сверхпроводящее состояние проводник начинает проявлять то что называется эффектом Мейснера, когда магнитное поле из его объема полностью вытесняется наружу, что, конечно, противоречит классическому описанию эффектов, связанных с обычной проводимостью в условиях гипотетически идеального, то есть нулевого сопротивления.
В период с 1986 по 1993 годы был открыт целый ряд высокотемпературных сверхпроводников, то есть таких, которые переходят в сверхпроводящее состояние уже не при столь низких температурах как температура кипения жидкого гелия (4,2К), а при температуре кипения жидкого азота (77 К) — в 18 раз более высокой, чего в лабораторных условиях можно добиться гораздо проще и дешевле чем с гелием.
Усиленный интерес к вопросу практического применения сверхпроводимости начался в 1950-е годы, когда сверхпроводники второго рода с их высокими показателями плотности тока и магнитной индукции ярко вышли из-за горизонта. Далее они стали приобретать все большее практическое значение.
Закон электромагнитной индукции сообщает нам, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. А поскольку сверхпроводники проводят ток без сопротивления, то достаточно просто поддерживать подобные материалы при правильных температурах, и таким путем получать детали для создания идеальных электромагнитов.
Например в медицинской диагностике технология магнитно-резонансной томографии предполагает использование в томографах мощных сверхпроводящих электромагнитов. Без них врачам бы не удалось получать столь впечатляющие изображения внутренних тканей человеческого организма с высоким разрешением не прибегая к использованию скальпеля.
Большое значение получили такие сверхпроводящие сплавы как ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово, из которых технически несложно получить стабильные тонкие сверхпроводящие нити и многожильные проводники.
Ученые давно создали ожижители и рефрижераторы с высокой хладопроизводительностью (на уровне температур жидкого гелия), именно они способствовали развитию сверхпроводниковой техники еще в СССР. Уже тогда, в 80-е, были построены крупные электромагнитные системы.
Была запущена первая в мире экспериментальная установка Т-7, предназначенная для изучения возможности инициирования реакции термоядерного синтеза, где для создания тороидального магнитного поля требовались сверхпроводящие катушки. В больших укорителях элементарных частиц сверхпроводящие катушки также применяются — в пузырьковых камерах для жидкого водорода.
Разрабатываются и создаются турбогенераторы (в 80-е на основе сверхпроводников созданы сверхмощные турбогенераторы КГТ-20 и КГТ-1000), электродвигатели, кабели, магнитные сепараторы, транспортные системы и т. д.
Расходомеры, измерители уровня, барометры, термометры — для всех этих высокоточных приборов отлично подходят сверхпроводники. Главными же крупными направлениями промышленного применения сверхпроводников остаются два: магнитные системы и электрические машины.
Раз сверхпроводник не пропускает магнитного потока, значит изделие такого рода экранирует магнитное излучение. Данное свойство сверхпроводников применяется в точных микроволновых устройствах, а также при защите от столь опасного поражающего фактора ядерного взрыва, как мощное электромагнитное излучение.
В результате низкотемпературные сверхпроводники остаются незаменимыми при создании магнитов в таком научно-исследовательском оборудовании, как ускорители частиц и установки термоядерного синтеза.
Поезда на магнитной подушке, активно эксплуатируемые сегодня в Японии, уже способны двигаться со скоростью 600 км/ч и давно доказали свою реализуемость и эффективность.
Отсутствие электрического сопротивления у сверхпроводников делает процесс передачи электрической энергии более экономичным. Так, единственный сверхпроводящий тонкий кабель, проложенный под землей, принципиально смог бы передавать мощность, для передачи которой традиционным способом понадобился бы толстый жгут проводов — громоздкая линия.
На данный момент остаются актуальными лишь проблемы стоимости и обслуживания, связанные с необходимостью непрерывно прокачивать через систему азот. Тем не менее в 2008 году в Нью-Йорке фирма American Superconductor успешно запустила первую коммерческую сверхпроводящую ЛЭП.
Кроме того, существует технология промышленных аккумуляторов, позволяющая уже сегодня накапливать и хранить (аккумулировать) энергию в форме незатухающего циркулирующего тока.
Комбинируя сверхпроводники с полупроводниками, ученые создают сверхбыстрые квантовые компьютеры, являющие миру новое поколение вычислительной техники.
Явление зависимости температуры перехода вещества в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля — положено в основу управляемых резисторов — криотронов.
На данный момент, конечно, можно говорить о значительных успехах в плане продвижения к получению высокотемпературных сверхпроводников.
Так, например, металлокерамический состав YBa2Cu3Ox переходит в сверхпроводящее состояние при температуре выше температуры сжижения азота!
Однако большинство подобных решений связано с тем, что получаемые образцы хрупки и нестабильны, посему в технике по-прежнему остаются актуальными упомянутые выше сплавы ниобия.
Сверхпроводники позволяют создавать детекторы фотонов. Некоторые из них используют андреевское отражение, другие эффект Джозефсона, факт наличия критического тока и т. д.
Построены детекторы регистрирующие единичные фотоны ИК-диапазона, выказывающие ряд преимуществ перед детекторами на иных принципах регистрации, такими как фотоэлектрические умножители и др.
Ячейки памяти могут создаваться на основе вихрей в сверхпроводниках. Похожим образом уже применяются некоторые магнитные солитоны. Двумерные и трехмерные магнитные солитоны похожи на вихри в жидкости, где роль линий тока исполняют линии выстраивания доменов.
Сквиды — миниатюрные кольцевые приборы на базе сверхпроводников, действующие на основе связи между изменением магнитного потока и электрического напряжения. Такие микро-приборы работают в магнитометрах повышенной чувствительности, способных измерять магнитное поле Земли, а также в медицинском оборудовании для получения магнитограмм сканируемых органов.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Сверхпроводники используют для создания устройств которые
(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов — меди и алюминия. (2) мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы перспективной военной техники, поезда, на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов. (3)Устройства, изготовленные с использованием сверхпроводящих материалов, характеризуются значительно меньшими размерами и массой.
Задание 2. Какое из приведённых ниже слов (сочетаний слов) должно стоять на месте пропуска во втором (2) предложении текста? Выпишите это слово (сочетание слов).
Несмотря на это,
Читаем указанное предложение и определяем по смыслу, какой союз, союзное слово, предлог или вводное слово пропущено.
(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов — меди и алюминия. (2) <. >мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы перспективной военной техники, поезда, на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов.
В предложении (2) приводятся примеры устройств, которые делаются с применением сверхпроводников, о которых изложено в (1) предложении.
Выбираем подходящий вариант из предложенных. Читаем предложение, заполнив пропуск:
(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов — меди и алюминия. (2) мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы перспективной военной техники, поезда, на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов.
Проверка. Подставляем на место пропуска остальные слова из предложенного списка.
(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов — меди и алюминия. (2) мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы перспективной военной техники, поезда, на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов.
Ни в одном их этих вариантов не сохраняется логика текста.
В ответ выписываем слово или словосочетание без запятых и пробелов.
Ответ: НАПРИМЕР
Сверхпроводники
Сверхпроводящие материалы
В Московском инженерно-физическом институте ведутся исследования удивительного квантового явления – сверхпроводимости. Как 28 сентября 2023 года рассказали TAdviser представители проекта «МАГнит: все о науке и технологиях», в лаборатории сверхпроводимости и магнитных явлений под руководством Дмитрия Абина, инженера-исследователя института лазерных и плазменных технологий МИФИ, изучаются свойства высокотемпературных сверхпроводящих материалов и их применение в различных технологиях будущего.
Как пояснил ученый, сверхпроводимость — это фазовое состояние вещества, характеризующееся отсутствием электрического сопротивления и выталкиванием силовых линий магнитного поля из объема материала. По словам Дмитрия, эти свойства открывают огромные перспективы в различных областях: от медицины и электроэнергетики до транспорта. В частности, использование сверхпроводников позволяет создавать сильные магнитные поля, которые невозможно получить иными способами.
Если говорить о применении сверхпроводников в транспорте, то особенно интересным является концепция магнито-левитационного транспорта. Дмитрий Абин и его команда разрабатывают левитационные системы, которые можно использовать в подвижных составах будущего. Представленная в лаборатории система, например, левитирует на высоте до нескольких миллиметров от поверхности и способна выдерживать значительные нагрузки. Это может стать основой для создания нового типа транспорта, способного развивать скорости, превышающие скорости современных самолетов.
Как рассказал ученый, основой их исследований является сверхпроводящая лента второго поколения – уникальный материал, который демонстрирует нулевое сопротивление при температуре жидкого азота. Эту ленту научились производить в промышленных масштабах в России.
Инженер-исследователь института лазерных и плазменных технологий МИФИ Дмитрий Абин демонстрирует макет левитирующей системы
Ученые МИФИ разрабатывают из нее различные устройства, в том числе магниты на основе так называемого захваченного магнитного потока. Это и позволяет создавать эффект магнитной левитации – когда объекты «парят» в воздухе, не касаясь опоры. Дмитрий Абин продемонстрировал макет такой левитирующей системы.
Сверхпроводящий цилиндр, охлажденный жидким азотом, устойчиво «завис» над постоянными магнитами, причем на расстоянии в несколько миллиметров. По словам исследователя, прижатый сверхпроводник может выдерживать груз до 15 килограммов, сохраняя зазор с магнитами.
Дмитрий Абин также показал масштабный демонстратор магнитолевитационного поезда на основе тех же принципов. Четыре опоры с лентами, охлажденные жидким азотом, поддерживали платформу с грузом над магнитными рельсами. По сути, это рабочая модель поезда на магнитной подушке, способного развивать скорость свыше 600 км/час.
Переход электроэнергетики полностью на сверхпроводимость пока невозможен. Однако такие технологии могут использоваться в приложениях с уже имеющимся низкотемпературным окружением. Например, в криогенных насосах или для хранения энергии в виде раскрученного маховика на магнитном подвесе, пояснил исследователь. Трендвотчинг рынка CRM. Аналитический отчет TAdviser
Помимо транспорта и энергетики, сверхпроводимость активно применяется в медицине для создания сильных магнитных полей в томографах. А также используется в научных ускорителях и термоядерных реакторах. Так что потенциал этого удивительного квантового эффекта далеко не исчерпан, убежден ученый.
В лаборатории МИФИ также ведутся работы по созданию сверхпроводящих подшипников и кинетических накопителей энергии. Подшипники этого типа могут использоваться в крео-насосах для перекачки жидких газов, кинетические накопители — для эффективного хранения электроэнергии. По мнению Дмитрия Абина, эти разработки могут найти широкое применение в решении технологических задач будущего.
Ученые получили сверхпроводники будущего, размещая атомы по одному
21 сентября 2023 года стало известно о том, что ученые из Цюрихского университета совместно с коллегами из Института микроструктурной физики имени Макса Планка смогли создать различные типы сверхпроводников, размещая атомы по одному. Исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, указывает на многообещающий подход к преодолению ограничений природных материалов и открывает путь к созданию принципиально других состояний вещества для электроники и вычислительных технологий будущего.
Электроника завтрашнего дня зависит от открытия материалов. Иногда природная топология атомов затрудняет создание новых физических эффектов. Чтобы решить эту проблему, ученые из Цюрихского университета разработали сверхпроводники, размещая атомы по одному, что привело к созданию принципиально других состояний вещества.
Поиск ответов на вопросы о том, как будут выглядеть и работать компьютеры будущего, является важным стимулом для фундаментальных физических исследований. Существует несколько возможных сценариев — от дальнейшего развития классической электроники до нейроморфных и квантовых компьютеров.
Общим элементом этих подходов является использование физических эффектов, некоторые из которых пока предсказаны только в теории. Исследователи прилагают немало усилий и используют нужное оборудование в поисках квантовых материалов, которые позволят реализовать такие эффекты. Но что, если подходящих природных материалов не существует?
В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Physics, группа профессора Титуса Нойперта из Цюрихского университета в тесном сотрудничестве с физиками из Института микроструктурной физики имени Макса Планка представила возможное решение. Исследователи создали необходимые материалы самостоятельно — размещая атомы по одному.
Они сосредоточились на новых типах сверхпроводников, которые особенно интересны, поскольку демонстрируют нулевое электрическое сопротивление при низких температурах. Благодаря необычному взаимодействию с магнитными полями, сверхпроводники часто используются в квантовых компьютерах. Теоретические физики годами занимались исследованием и предсказанием различных сверхпроводящих состояний.
сказал профессор Нойперт.
В результате плодотворного сотрудничества исследователи теоретически предсказали, как должны быть упорядочены атомы для создания сверхпроводящей фазы, а коллеги из Германии провели соответствующие эксперименты. Используя сканирующий туннельный микроскоп, они с атомной точностью перемещали и размещали атомы в нужных позициях.
Тем же методом измеряли магнитные и сверхпроводящие свойства системы. Разместив атомы хрома на поверхности сверхпроводящего ниобия, ученые смогли создать два типа сверхпроводимости. Ранее подобные методы использовались для манипулирования металлическими атомами и молекулами, но до сих пор не удавалось создавать двумерные сверхпроводники таким способом.
Полученные результаты не только подтверждают теоретические предсказания физиков, но и дают повод предположить, какие ещё состояния вещества могут быть созданы таким образом и как их можно будет использовать в квантовых компьютерах будущего [1] .
2022: Физики предложили элемент памяти, работающий при сверхнизких температурах
14 февраля 2022 года представители МФТИ сообщили, что совместно с учеными Стокгольмского университета разработали устройство, способное контролируемо изменять фазу сверхпроводящей волновой функции. Поскольку сверхпроводниковая электроника имеет дело именно с волновой функцией, это устройство может стать одним из ее базовых элементов — как, например, транзистор для полупроводниковой техники. Переключением фазы ученые управляли, передвигая вихри Абрикосова между специально созданными «ловушками» вблизи джозефсоновского контакта. Эти переключения могут быть использованы для реализации памяти, работающей при очень низких температурах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters. Подробнее здесь.
2020: Ученые «Сколтеха» и МФТИ открыли правило для предсказания сверхпроводящих металлических гидридов
16 апреля 2020 года стало известно о том, что исследователи Сколтеха и МФТИ и их коллеги открыли правило, облегчающее поиск высокотемпературных сверхпроводников. Ученым удалось установить связь между положением элемента в Периодической таблице и его способностью к образованию высокотемпературного сверхпроводящего гидрида. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, представлены в статье в журнале Current Opinion in Solid State & Materials Science.
Как сообщалось, сверхпроводящие материалы обладают нулевым сопротивлением и способны передавать электричество без потерь. Эти свойства представляют огромный интерес с точки зрения практического использования сверхпроводников в электронике и энергосетях. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются и в аппаратах МРТ, работающих в обычных больницах, и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.
На апрель 2020 года существует два способа достижения сверхпроводимости, причем оба требуют обеспечения предельных условий: либо очень низких температур, либо очень высокого давления. В первом случае требуется охлаждение до 100 К (приблизительно –173 градуса по Цельсию) или еще ниже. Результаты исследований показывают, что у металлического водорода сверхпроводимость может проявляться и при температуре, близкой к комнатной, но для этого необходимо обеспечить давление на пределе технических возможностей — более 4 миллионов атмосфер.
Именно поэтому взгляды ученых на апрель 2020 года устремлены в сторону гидридов — соединений водорода с другим химическим элементом: эти соединения могут переходить в сверхпроводящее состояние при относительно высоких температурах и относительно низких давлениях. Действующим рекордсменом по температуре перехода является декагидрид лантана, LaH10. В 2019 году было показано, что это соединение становится сверхпроводящим при температуре –23 оС и давлении 1,7 миллиона атмосфер. Такой уровень давления вряд ли даст возможность практических применений, но тем не менее результаты, полученные в ходе исследований гидридов-сверхпроводников, имеют важное значение для других классов сверхпроводников, работающих при нормальных давлении и температуре.
Аспирант Сколтеха Дмитрий Семенок, профессор Сколтеха и МФТИ Артём Оганов и их коллеги открыли правило, позволяющее предсказывать максимальную критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (maxTC) для гидрида металла исходя только из электронной структуры атомов металла. Это открытие существенно облегчает задачу поиска сверхпроводящих гидридов.
рассказал Артём Оганов, профессор Сколтеха и МФТИ
Ученые не только выявили важную качественную закономерность, но и провели обучение нейронной сети для предсказания значения maxTC для соединений, по которым отсутствуют экспериментальные или теоретические данные. Для некоторых элементов в ранее опубликованных данных наблюдались аномалии. Исследователи решили проверить эти данные, используя для этой цели алгоритм USPEX, разработанный профессором Огановым и его учениками и позволяющий предсказывать термодинамически стабильные гидриды этих элементов.
рассказал Александр Квашнин, один из авторов работы, старший научный сотрудник Сколтеха и преподаватель МФТИ
В 2019 году Артём Оганов и его коллеги из России, США и Китая синтезировали супергидрид церия CeH9, обладающий сверхпроводимостью при температуре 100–110 К и (относительно) низком давлении — 120 ГПа. Еще один сверхпроводник, открытый исследовательской группой в составе Дмитрия Семенка, Ивана Трояна, Александра Квашнина, Артёма Оганова и их коллег, — гидрид тория ThH10, имеющий высокую критическую температуру 161 К.
Сверхпроводники используют для создания устройств которые
(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов — меди и алюминия. (2) мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы перспективной военной техники, поезда, на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов. (3)Устройства, изготовленные с использованием сверхпроводящих материалов, характеризуются значительно меньшими размерами и массой.
Задание 1. Укажите два предложения, в которых верно передана ГЛАВНАЯ информация, содержащаяся в тексте. Запишите номера этих предложений.
1) Для создания таких устройств, которые невозможно или невыгодно изготавливать с использованием обычных проводников, применяют сверхпроводники, помогающие сделать эти устройства более компактными и лёгкими.
2) При создании мощных магнитных систем для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующих ограничителей тока, медицинских томографов, спектрометров высокого разрешения, образцов перспективной военной техники, поездов на магнитной подушке иногда используют сверхпроводящие металлы.
3) Для создания сооружений, которые нецелесообразно возводить с применением лишь традиционных проводниковых материалов — меди и алюминия, используют также сверхпроводники.
4) Сверхпроводники используют при создании устройств, изготовление которых из обычных проводников невозможно или экономически невыгодно, причём применение сверхпроводников делает устройства менее объёмными и тяжёлыми.
5) Для изготовления таких устройств, которые должны обладать небольшим объёмом и массой при разнообразии выполняемых ими функций, используют проводники.
В этом задании выбираем ДВА предложения, которые верно передают самое важное содержание текста. Скорее всего, эти предложения будут содержать одинаковую информацию.
1. Выделяем главную информацию текста.
(1)Сверхпроводники используют для создания таких устройства, которые экономически невыгодно изготавливать из обычных проводников.(3) Эти устройства меньше по размеру и массе.
2. Находим предложения, в которых эта информация передана без искажений и ошибок.
2) Передана второстепенная информация.
3) Не вся информация.
5) Не вся информация.
Проверка. Выбранные варианты должны содержать одну и ту же информацию.
1) Для создания таких устройств, которые невозможно или невыгодно изготавливать с использованием обычных проводников, применяют сверхпроводники, помогающие сделать эти устройства более компактными и лёгкими. (Сверхпроводники используют для создания устройств, которые изготовить из обычных проводников невозможно или невыгодно, к тому же сверхпроводники делают устройства легче и компактнее.)
4) Сверхпроводники используют при создании устройств, изготовление которых из обычных проводников невозможно или экономически невыгодно, причём применение сверхпроводников делает устройства менее объёмными и тяжёлыми. (Сверхпроводники используют для создания устройств, которые изготовить из обычных проводников невозможно или невыгодно, к тому же сверхпроводники делают устройства легче и компактнее.)
В ответ выписываем две цифры без пробелов и запятых.
Ответ: 14 или 41