superconductivity: demonstration and vizualization with ...€¦ · nadezhda nancheva, 2007-04-1/4...

Nadezhda Nancheva, 2007-04-1/4University of Rousse

Presentation of SUPERCOMET 2 project

SUPERCONDUCTIVITY: demonstration and

vizualization with video clips

Nadezhda NanchevaUniversity of Rousse


СВРЪХПРОВОДИМОСТ: ЕКСПЕРИМЕНТИРАНЕ И

ВИЗУАЛИЗИРАНЕ С ПОМОЩТА НАВИДЕО КЛИПОВЕ

Н.Нанчева, П.ДочеваРусенски университет “А.Кънчев”


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


“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


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.


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.


• 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.


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.


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).


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


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


Таблица на Менделев -свръхпроводящи елементи


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



• КАЛАЙ (Sn) –Tк = 3.72 KРешетка TET

• ГАЛИЙ (Ga) –Tк = 1.083 KРешетка ORC

• ЖИВАК (Hg) – Tк = 4.15 KРешетка RHL


Представяне на свръхпроводницитеот първи тип с помощта на видео клип


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.


Демонстриране на процеса насъздаване на двойки на Купър


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



Съединенияоттипа YBCOТк ~ 90 К



Съединения

от типаABa2CuO5Тк ~ 100 К



• MgB2 – Tk = 39 KИзключително подходящ замного индустриалниприложения – проводници, тънки слоеве и др.


Представяне на свръхпроводницитеот втори тип с помощта на видео клип


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.


Демонстриране на ефекта на Майснер-Оксенфелд


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.


Демонстриране на магнитна левитацияс помощта на видео клип


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.


Благодаря завниманието!

superconductivity: demonstration and vizualization with ...€¦ · nadezhda nancheva, 2007-04-1/4...

Documents