ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Відкриття надпровідності Камерлінґ-Оннесом

Експериментуючи зі ртуттю Камерлінг-Оннес довів її до замерзання і продовжив знижувати температуру. При досягненні Т = 4,2° К прилад перестав фіксувати опір. Оннес міняв прилади в дослідній установці, оскільки побоювався їхньої несправності, але прилади незмінно показували нульовий опір, незважаючи на те, що до абсолютного нуля не вистачало ще 4 К.


Якщо в замкнутому контурі, що знаходиться в надпровідному стані створити електричний струм, то він буде протікати тижні й навіть роки, не зменшуючись. Після відкриття надпровідності в ртуті з'явилась велика кількість запитань:

  • чи надпровідність властива ртуті й іншим матеріалам? ;
  • опір знижується до нуля або ж він настільки малий, що прилади, які існують, не можуть його виміряти, і багато інших.
Критичні температури Tc деяких надпровідних матеріалів
Речовина Tc , K Tc , °C
Вольфрам [2] 0,012 −273,139
Галій [2] 1,091 −272,059
Алюміній 1,14 −272,01
Індій 3,37 −269,78
Ртуть [2] 4,153 −268,997
Тантал [2] 4,483 −268,667
Ванадій 5,3 −267,85
Свинець [2] 7,193 −265,957
Ніобій [2] 9,5 −263,65
AuPb 7,0 −266,15
Технецій 11,2 −266,07
MoN 12,0 −261,15
PbMo6S8 −258,15
K3C60 −254,15
Nb3Ge −250,15
La2CuO4 −238,15
MgB2 −234,15
Cs3C60 −233,15
YBa2Cu3O7-x; x ~ 0,2 [3] −180,15
HgBa2Ca2Cu3O8+x [3] −140,15

 

 

Поведінка теплоємності (синя крива) та опору (зелена крива) при переході до надпровідного стану

Оннес запропонував оригінальний дослід непрямого визначення, до якого рівня знижується опір. В надпровідному колі збуджувався електричний струм, який, як було встановлено за відхиленням магнітної стрілки, не згасав багато років. За розрахунками питомий опір надпровідника дорівнював близько 10-25 Ом•м. Порівнюючи отримане значення з питомим опором міді — ρCu =1.5۰10-8 Ом•м, видно, що питомий опір надпровідника на 17 порядків менший, тому можна вважати, що опір надпровідника дорівнює 0. MgB2 −234,15
Cs3C60 −233,15
YBa2Cu3O7-x; x ~ 0,2 −180,15
HgBa2Ca2Cu3O8+x −140,15

 

Поведінка теплоємності (синя крива) та опору (зелена крива) при переході до надпровідного стану

Подальший розвиток

Після відкриття Камерлінґ-Оннеса надпровідність було встановлено в інших матеріалах та сплавах. Важливим наріжним каменем в дослідженні властивостей надпровідників було відкриття ідеального діамагнетизму надпровідників (або виштовхування зовнішнього магнітного поля з надпровідника), відомого як ефект Мейснера-Оксенфельда в 1933 році. В 1935 році брати Фріц та Хайнц Лондони запропонували першу теорію надпровідності, яка хочай була повністю феноменологічною, проте пояснювала ефект Мейснера-Оксенфельда. Наступним кроком була запропонована в 1950 році Гінзбургом та Ландау Лев Давидович нова феноменологічна теорія, яка вперше враховувала квантовомеханічну природу явища. В межах цієї теорії Олексієм Абрикосовим в 1957 році було передбачено існування надпровідників II роду. В тому ж році Бардін, Купер та Шрифер опублікували роботу, в якій дали мікроскопічне пояснення явища надпровідності, яке одержало назву Теорії Бардіна-Купера-Шрифера.

Властивості надпровідників

Надпровідність характеризується абсолютним діамагнетизмом. У магнітному полі в надпровідному матеріалі виникають такі струми, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле виштовхується із надпровідника. Завдяки цій властості виникає явище, яке отримало назву гріб Магомета - левітація магніта над надпровідником (або надпровідника над магнітом). Сильне магнітне поле руйнує надпровідсть. Проте надпровідники розрізняються за своєю поведінкою у відносно сильних магнітних полях, у залежності від поверхневої енергії границі розділу надпровідної й нормальної фаз. У надпровідників I роду ця поверхнева енергія додатня, й надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний рівень, який називається критичним магнітним полем. У надповідників II роду поверхнева енергія границі руйнується повністю. Надпровідники другого роду використовуються для створення надпровідних електромагнітів.розділу нормальної та надпровідної фаз від'ємна, тож магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне значення (воно називається першим критичним полем), починає проникати в надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові струми (див. Абрикосівський вихор). Якщо збільшувати магнітне поле далі, то нормальних областей стає дедалі більше, й при критичному полі надпровідність

Теорії надпровідності

Явище надпровідності — макроскопічне (видиме) проявлення квантової природи речовини: атомів та електронів. Відомо, що електрони в атомі можуть перебувати тільки в певних станах, яким відповідають дискретне значення енергії. Таким чином атом може поглинати і випромінювати енергію певними порціями — квантами. Однак, якщо ми перейти до макроскопічного тіла, де концентрація електронів перевищує 1022 см-3, то квантовий характер зміни енергії кожного електрону «змазується» великою кількістю таких електронів, що поглинають або випромінюють енергію, і ми бачимо суцільний спектр поглинання або випромінювання енергії макроскопічними тілами.


Надпровідність – надзвичайно цікаве й деякою мірою загадкове фізичне явище, яке при практичному застосуванні має принести людству незліченні здобутки. Надпровідний струм є бездисипативним, тобто при протіканні постійного струму в надпровіднику не виникають звичайні резистивні втрати. Це причина, завдяки якій використання надпровідних пристроїв виявляється одним з найбільш важливих і перспективних шляхів енергозбереження. Оцінки показують, що застосування надпровідності дозволить зменшити втрати при генерації, передачі, трансформації та використанні електроенергії з приблизно 30-35% до 1-2%, що є рівнозначним побудові кількох нових потужних атомних електростанцій в Україні.

Еквівалентний опір.

Опір, при включенні якого замість всіх інших провідників, що знаходяться між двома крапками ланцюга, струм і напруга залишаються незмінними, називають еквівалентним опором цих провідників. При послідовному з"єднанні резисторів їх сумарний опір рівний сумі опорів окремих резисторів R= R1+R2+R3+….

 

Опір R називають еквівалентним резистором.

 

Паралельне з"єднання провідників. Напруги на всіх резисторах будуть рівні, тому U=U1=U2=U3 , а струм І буде рівний сумі струмів на кожному резисторі: І=І123. Тоді еквівалентний опір кола рівний:

1\R =1\R1 +1\R2+....1\Rn

 

 

Електрорушійна сила ( ЕРС ) рівна:

 

ε = ІR+ Ir ( 2 ), де

 

R - це опір зовнішнього навантаження, а r - це внутрішній опір електричної батареї. R1 R2 R3

 

 

Формула виражає закон Ома для повного кола. Електрорушійна сила завжди більша за номінальну напругу електричної батареї живлення.

 

закони Кірхгофа.

 

Досить частенько нам потрібно обчислити струм та ЕРС у колах, що містять декілька електричних батарей, а резистори з”єднані змішано, тому скористатися законом Ома у даному випадку не можна.

 

Для обчислення струму та напруги у колі за таковых разумов використовують правила Кірхгофа, яких є два.

 

Перше правило Кірхгофа: сума струмів, що входять у вузол рівна сумі струмів, що виходять із вузла. Цей закон, по суті, є законом збереження електричного заряду.

 

Σ In = І0

 

Друге правило Кірхгофа: сумарна зміна потенціалів у вибраному замкнутому контурі рівна нулю.

 

Σ Un =0

 

Закони Кірхгофа використовують для обчислення параметрів складних електричних кіл.

 

Л.С.Жданов. Підручник по фізиці для середніх спеціальних навчальних закладів. § 17.5-17.6, стор.167 - 171. § 18.14 - 18.16 стор. 208 -211

. § 19.1 -19.4. стор. 213 -218.

 

 

Питання для самоперевірки.

1.Запишіть основну формулу по який можна визначити щільність струму.

2. У чому особливість надпровідності? Який учений відкрив надпровідність?

3. Сформулюйте властивості надпровідності?

4.Який опір називають еквівалентним?

2.9.1. Приклади рішення задач

Задача № 1

Між катодом і анодом діода прикладена напруга 100 В. Яку роботу зробить електричне поле по переміщенню електронів від катода до анода за 1 час, якщо щосекунди з катода емітує 1 · 1016 електронів? В анодному ланцюзі існує струм насичення.

Дане: Рішення:

U = 100В Робота електричного полючи по переміщенню

t = 1ч 3600с електронів дорівнює A=q. Кількість зарядів,

N = 1 · 1016 переміщених полем між катодом і анодом

А = ? за 1 час можна визначити, з огляду на, що в ланцюзі струм насичення; коли всі електрони, эмиттировавшие з катода долітають до анода. Отже,

q = Nte, де

е - заряд електрона.

Зробивши підстановку, одержимо:

A = Nte.

Перевіримо розмірність:

[A] = c Кл В = Дж.

А = 1 · 1016 · 3600 · 1,6 · 10-19 · 100 = 576 (Дж)

Задача № 2

Для сріблення ложок струм 1,8 А пропускається через розчин солі срібла протягом 5 часів. Катодом служать 12 ложок, кожна з який має площу поверхні 50см2. якої товщини куля срібла відкладеться на ложках? Електрохімічний еквівалент срібла дорівнює 1,118мг/Кл.

Дане: Рішення:

І = 1,8 Товщину шаруючи срібла, що відклалося

N = 12 на поверхні ложок, визначимо по

S1 = 50см2 5 · 10-3 м2 його обсягу: V = NS1d, де NS1 -

k = 1,118мг/Кл 1,118 · 10-6мг/Кл площа поверхні всіх ложок.

d =? Обсяг срібла визначимо по його масі і щільності, узятої з таблиці і дорівнює 10,5 · 103кг/м3:

m=ρV.

Масу срібла, що виділилося на поверхні ложок при електролізі визначимо за законом Фарадея:

m=kіt.

Зробивши підстановку і вирішивши отримане рівняння відносно d, одержимо: d=kIt/ρNS1.

Перевіримо розмірність:

(кг/Кл) Ас

[d] = ----------------- = м

(кг/м33

Зробимо обчислення:

d = 1,118 · 10-6 · 1,8 · 1,8 · 104/10,5 · 103 · 12 · 5 · 10-3 = 5,7 · 105 (м)

Задача № 3

Визначите довжину вільного пробігу електрона в електродній трубці, заповненої розрідженим азотом, у момент виникнення ударної іонізації, якщо напруженість електричного полючи між електродами трубки

2 · 104 В/м, а робота іонізації молекули азоту дорівнює 15,8 еВ.

Дане: Рішення:

Е = 2 · 104 В/м Робота з іонізації молекули азоту

Аи = 15,8 еВ 25,28 ·10 -19 Дж повинна бути дорівнює енергії електрона,

що він здобуває при русі

λ= ? в електричному полі електродної трубки на відстані, рівній довжині вільного пробігу. Отже,

Аи =e, де

U -напруга між двома крапками полючи, відстань між який, дорівнює довжині вільного пробігу електрона.

Різниця потенціалів між двома крапками однорідного електростатичного полючи зв'язаний з його непряженностью:

U = Eλ

Зробивши підстановку, одержимо:

λ = Аи/ е Е.

перевіримо розмірність:

Дж

[λ] = ------------- = м.

Кл Н/Кл

 

25,28 · 10-19

λ = ---------------------- = 4,9 · 10-4 (м)

1,6 · 10-19 · 2 · 104

 

Задача № 4

Визначите напруженість електричного полючи в мідному

проводі, якщо щільність струму в ньому 5 А/мм2.

Дане: Рішення:

J = 5 А/мм2 5 · 106 А/м2 По визначенню щільність струму

: J = І / S. Сила струму за законом Ома:

E=? І = U / R. Напруженість електричного полю і напруга між двома крапками полючи зв'язані між собою наступним співвідношенням: U = E І , де І - довжина провідника.

Опір провідника R = ρ І / S, де ρ = 1,7 · 10-8 Ом м - питомий опір міді, знайдений по таблиці.

Зробивши підстановку і зробивши скорочення, одержимо:

E= ρJ.

Зробимо обчислення:

E = 1,7 · 10-8 Ом м2 5 · 106 А/м2 = 0,085 В/м.

 

Задача № 5

Електрична схема складена з двох паралельно

з'єднаних опорів 40 Ом і 10 Ом, підключених до затисків акумулятора, ЭРС якого 10 В. струм у загальній частині ланцюга 1 А. знайдіть внутрішній опір акумулятора і струм короткого замикання.

 

Дано: Рішення:

R1 = 40 Ом

R2 = 10 Ом

E = 10 В

І = 1 А

 

Ікз = ?

r = ?

 

Внутрішній опір джерела струму визначимо за законом Ома для повної мети:

І = E / ( r + R ).

Загальний опір рівнобіжно з'єднаних провідників (R) визначимо по формулі:

1\R = 1\R2 + 1 \R1 , R = R 1 R 2 \ R1 + R2

відкіля

 

Зробивши підстановку, вирішимо отримане рівняння відносно r:

E (R1 + R2) - I R1 R2

r = ---------------------------

I (R1 + R2)

 

 

Струм короткого замикання визначимо, якщо приймемо, що при короткому замиканні зовнішній опір дорівнює нулю. За законом Ома

Ікз = E / r.

Зробимо обчислення:

r = = 2 (Ом)

Ікз = 10/1 = 5.

 

Задача № 6

Мотори електровоза при русі зі швидкістю 54 км/год споживають потужність 900 квт. КПД моторів і передавальних механізмів разом дорівнює 0,8. визначите силу тяги, що розвивається моторами.

Дане: Рішення:

V = 54км/год 15 м/с Сила тяги (Fт) робить корисну роботу

N3 = 900 кВт 9 · 105 Вт по переміщенню електропоїзда: Аn=Fт.

= 0,8 Якщо розділимо обидві частини рівняння на

час руху, то будемо мати:

Fт = ?

 

Nn = Fт V, де

V - швидкість руху електропоїзда;

Nn -і його корисна потужність.

По визначенню: η= Nn / Nз, відкіля Nn = N 3.

Зробивши підстановку, одержимо:

Fт = N3 / V.

Перевіримо співвідношення одиниць виміру:

Вт Дж/с Н м/с

H = ------+ ---------- + --------

м/с м/с м/с

Зробимо обчислення:

Fт = 0,8 · 9 · 105 / 15 = 4,8 · 104 (Н).

 

 

Задача № 4

Якої довжини потрібно взяти нікеліновий провід перетином 0,84мм2 , щоб зробити з нього нагрівач на 220 В, за допомогою якого можна нагріти 2 л води від 20ºC до кипіння за 10 хвилин при ККД нагрівача 80%?

Дане: Рішення:

S = 0,84 мм2 8,4 · 10-7 м2 Довжину проводу визначимо по

 

його

U = 220 В опору: R=ρІ/S, де ρ - питоме

V = 2 л 2 ·10-3 м опір нікеліну узяте з

t1 = 20º C таблиці і рівне 4,2 · 10-7 Ом м.

t2 = 100ºC Опір провідника визначимо

τ = 10хв 600 c по кількості теплоти, що виділяється

η = 80% 0,8 в провіднику при проходженню

по ньому електричного струму:

L =? Q3=U 2τ/R.

КПД нагрівача складає 80%. Це значить, що тільки 0,8 теплоти, отриманої від нагрівача йде на нагрівання води, інша кількість теплоти губиться. Отже,

Qn=ηQ3.

Корисне тепло йде на нагрівання води:

Qn = mc (t2 – t1), де

m - маса води, рівна m=ρV, ρ- щільність води;

с - питома теплоємність води, узята з таблиці,

рівна 4200Дж/кг К.

Зробивши підстановку, одержимо:

 

U2ηS

L = ----------------

ρVс (t2 – t1)

 

 

Перевіримо співвідношення одиниць виміру:

B2 c м2 B2 м

[L] =----------------------------------- = ------------ = м.

(кг/м33 (Дж/кг К) К Ом м Дж Ом

 

Зробимо обчислення:

. 4,84 · 104 · 600 · 0,8 · 8,4 · 10-7

L = ----------------------------------------------- = 69 (м).

1 · 103 · 2 · 10-3 · 4200 · 80 · 4,2 · 10

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти