superconductivity: demonstration and vizualization with ...€¦ · nadezhda nancheva, 2007-04-1/4...
TRANSCRIPT
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Presentation of SUPERCOMET 2 project
SUPERCONDUCTIVITY: demonstration and
vizualization with video clips
Nadezhda NanchevaUniversity of Rousse
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
СВРЪХПРОВОДИМОСТ: ЕКСПЕРИМЕНТИРАНЕ И
ВИЗУАЛИЗИРАНЕ С ПОМОЩТА НАВИДЕО КЛИПОВЕ
Н.Нанчева, П.ДочеваРусенски университет “А.Кънчев”
Page 3
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Цели на доклада
• Да представи възможностите заекспериментиране и визуализиране наявлението СВРЪХПРОВОДИМОСТ спомощта на видео клипове
• Да запознае физическата колегия снякои от ангажиментите ни вмеждународния проект SUPERCOMET2, част от който е и представенатаработа
Page 4
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
“Нито едно явление не е истинскоявление, докато то не е наблюдаваноявление”.
Джон Уилър
“Всичко което знаем за реалносттапроизхожда от опита и завършва снего”.
А. Айнщайн
Page 5
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Необходими условия за реализиранена експерименти
• Подходяща материална база, която за някоиексперименти не е много сложна и скъпоструваща.
• За да бъде демонстрирано и визуализирано обачеявлението Свръхпроводимост са нужни специалниусловия – подходящи образци, много нискитемператури и силни магнитни полета, което в повечетослучаи е извън възможностите на катедрите по физикаи училищните кабинети.
• С въвеждането на Internet и мултимедийнитетехнологии в обучението стана възможнореализирането и на виртуални експерименти, които немогат да заменят реалните, но са една възможност заекспериментиране и визуализиране на ефекти иявления, за демонстрирането на които са нужни многосредства и скъпоструваща апаратура.
Page 6
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Видео клиповете като средство заекспериментиране и визуализиране
• Използването на видео клипове е лесно и често по-ефективно от реален експеримент. Клиповете обикновеноса кратки по време. Сложни явления и отделни детайлимогат да бъдат демонстрирани в рамките на няколкосекунди, докато при реалните експерименти е необходимомного повече време.
• Преподавателят има възможност стъпка по стъпка дапокаже индивидуалните особености на експеримента вдетайли и по този начин да улесни възприемането иразбирането на изучаваното явление.
Page 7
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
• Ако се представят непосредствено преди реалнияексперимент видео клиповете могат да обогатят дискусиятапо време на лабораторните упражнения и лекции, тъй катодават възможност на преподавателя да повтаря елементиот видео клипа и да променя скоростта на видео клипа всъответствие с въпросите на студентите.
• Видео клиповете помагат на студентите да направят връзкамежду реални конкретни явления и абстрактни модели иосновни принципи на физиката. По този начин студентитемогат да направят директно визуално сравнение междусложни явления и опростени модели.
• При подходящ подбор видео клиповете могат да повишатмотивацията на студентите да изучават физика.
Page 8
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Свръхпроводимост
• Един от най-бързо развиващите се клонове на физикатасъс значителни открития направени не преди стотицигодини, а в последните няколко десетилетия.
• Открита през 1911 г. от холандския физик Хайке КамерлингОнес в живак (Тк ~4 К).
• Явление на скокообразно намаляване до нула наспецифичното съпротивление и рязко увеличаване наелектричната проводимост.
• Наблюдава се при определена, характерна за даденотовещество температура, наречена критична.
Page 9
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Свръхпроводимост
• Първите открити свръхпроводници са метали, но вследващите години явлението е наблюдавано и в редицасъединения и сплави. Открити са и органичнисвръхпроводници, както и керамични материали, притежаващи свръхпроводимост при Тк >100 К.
• Най-висока критична температура е наблюдавана вHg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8+x (Tk = 138 K) и в систематаHgBa2Ca2Cu3O10+x (Тк=164 К), но при налягане P = 31 GPa.
• През Януари 2001 г. беше открит един от последнитесвръхпроводници - MgB2 (Tk=39 K).
Page 10
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Нобелови награди свързани съссвръхпроводимостта
• 1913 г. - Хайке Камерлинг Онес
• 1972 г. – Джон Бардин, Леон Купър, • Дж.Роберт Шрифър
• 1973 г. – Ивар Гевер, Лео Есаки, • Брайан Джозефсън
• 1987 г. - Георг Беднорц, Алекс Мюлер
• 2003 г. – Алексей Абрикосов,Виталий Гинзбург, Антъни Легет
Page 11
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Типове свръхпроводници
Свръхпроводници от тип I• Известни са като елементни свръхпроводници• Имат поведение на “перфектни” диамагнетици• Характерно за тях е рязкото намаляване на съпротивлението• Имат критични температури до 30 К• Имат една стойност на критичното магнитно поле, която е
много малка• Не са атрактивни за индустриални приложения• Свойствата им много добре се обясняват с двойките на Купър
и с БКШ теорията• Притежават различни типове кристални решетки – FCC, BCC,
HEX, TET, ORC, RHL
Page 12
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Таблица на Менделев -свръхпроводящи елементи
Page 13
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Типични представители
ОЛОВО (Pb) – Tк =7.196 K Bc = 0.08 ТРешетка FCC
МОЛИБДЕН (Mo) –Tк = 0.915 KРешетка BCC
ЦИНК (Zn) – Tк = 0.85 KРешетка HEX
Page 14
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Типични представители
• КАЛАЙ (Sn) –Tк = 3.72 KРешетка TET
• ГАЛИЙ (Ga) –Tк = 1.083 KРешетка ORC
• ЖИВАК (Hg) – Tк = 4.15 KРешетка RHL
Page 15
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Представяне на свръхпроводницитеот първи тип с помощта на видео клип
Page 16
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Двойки на Купър (1956)• Ефект на Купър (двойки на Купър) се нарича процесът на
обединение на електроните на проводимост в метала в двойки, водещ до поява на свръхпроводимост.
• Предсказан е от американския физик Л.Купър и лежи в основатана съвременната теория на свръхпроводимостта.
• Двойките на Купър се създават при температура подкритичната. Електроните, намиращи се в близост наповърхността на Ферми и имащи противоположно насочениимпулси и спинове могат да се обединяват в двойки, порадивзаимодействието си, което възниква в резултат на обмен навиртуални фонони и има характер на привличане.
• Те имат поведение на независими частици и формирането им епример за електрон - фононно взаимодействие. Нискатастойност на енергията на свързване на електроните в двойки наКупър определя съществуването на нискотемпературнасвръхпроводимост на металите, техните съединения и сплави.
Page 17
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Демонстриране на процеса насъздаване на двойки на Купър
Page 18
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Свръхпроводници от тип II• Това са елементи (V, Tc, Nb), съединения, сплави, редки
феромагнитни свръхпроводници и пирохлорни кристали
• Перовискити и купрати с висока критична температура
• Притежават високи стойности на критичен ток и критичномагнитно поле
• Имат две критични магнитни полета
• Второто критично магнитно поле е от порядъка на 100 Т занякои от тях и по тази причина могат да провеждат много по-силен ток, отколкото свръхпроводниците от тип I
• Изключително атрактивни са за индустрията
• Все още не е обяснена свръхпроводимостта им
• Притежават различни типове кристални решетки – TET, ORTH, RHL
Page 19
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Типични представители
Съединенияоттипа YBCOТк ~ 90 К
Page 20
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Типични представители
Съединения
от типаABa2CuO5Тк ~ 100 К
Page 21
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Типични представители
• MgB2 – Tk = 39 KИзключително подходящ замного индустриалниприложения – проводници, тънки слоеве и др.
Page 22
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Представяне на свръхпроводницитеот втори тип с помощта на видео клип
Page 23
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Представяне на свръхпроводницитеот втори тип с помощта на видео клип
Page 24
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Ефект на Майснер-Оксенфелд (1933)• Ефектът на Майснер-Оксенфелд е противоположен на
феромагнетизма и е свързан с пълно "изтласкване" на магнитнотополе от обема, заеман от свръхпроводник, при понижаване натемпературата или намаляване на индукцията на външното магнитнополе под някаква критична стойност Bc, определяща се отхарактерната за дадения свръхпроводник зависимост Bc = f(T).
• Причина за това е, че при B < Bc в повърхностния слой насвръхпроводника се появява кръгов незатихващ ток, големината накойто е такава, че напълно компенсира външното магнитно поле вобразеца. Дебелината на слоя, в който тече този ток и на коятопрониква външното поле, т.е. дебелината на проникване d(Лондоновска дълбочина на проникване) обикновено е от порядъкаm, а магнитното поле отслабва по експоненциален закон. Величинатаd зависи от температурата, като при увеличение на температуратарасте и при T → Tc, d.
• Пълно “изтласкване” на магнитното поле се наблюдава и за двата типасвръхпроводници, но за свръхпроводниците от втори тип само пристойности на магнитното поле B < Bc1. В недостатъчно чисти ипластично деформирани метали и особено в сплавите, се наблюдавачастично "замразяване" на магнитното поле, т.е. непълнота на ефектана Майснер-Оксенфелд.
Page 25
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Демонстриране на ефекта на Майснер-Оксенфелд
Page 26
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Магнитна левитация (безтегловност вмагнитно поле)
• Безтегловност в магнитно поле се нарича ефектът свързан споддържане на свръхпроводящо тяло в безтегловно състояниебез механични опори, за сметка на взаимодействието насвръхпроводника с външно магнитно поле.
• Ефектът възниква само в нееднородни полета, които могат дабъдат създадени от къси соленоиди, свръхпроводящи магнитиили кръгови постоянни магнити.
• При поставяне на свръхпроводник в магнитно поле с индукцияB той се "отблъсква" от магнитното поле. Действува му сила F. Ефектът възниква когато силата F е насочена в посока, обратнана силата на тежестта и двете сили са равни по големина. Максимална подемна сила се получава при B = Bc . Заразличните свръхпроводници тази сила е различна.
• Магнитната левитация е една от най-нагледните и удивителнипрояви на свръхпроводимостта.
Page 27
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Демонстриране на магнитна левитацияс помощта на видео клип
Page 28
Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse
Заключение
• Представените видео клипове не изчерпват възможноститеза визуализиране на явлението свръхпроводимост.
• Те са част от създадената от нас видео галерия, която сеизползва в процеса на обучение на студентите отинженерните специалности на Русенския университет.
• Участниците в проекта SUPERCOMET 2 от българска странасе надяват, че с работата си ще помогнат на българскитеучители по физика и на техните ученици в приложението намодерни технологии в процеса на обучение по физика.