Реальні системи і фазові переходи

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Зміст.

1. Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 2
2. Фазові переходи першого і другого роду ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 4
3. Ідеальний газ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .7
4. Реальний газ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 8
5. Молекулярно - кінетична теорія критичних явищ .... ... .9
6. Надплинність ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 11
7. Надпровідність ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 13
7.1 Відкриття надпровідності ... ... ... ... ... ... .... ... ... 13
7.2 Електрон - фононне взаємодія ... ... ... ... ... .. 14
7.3 Надпровідники першого та другого роду ... ... ... ... 16
7.4 Рецепт виготовлення надпровідника ... ... ... ... ... .17
7.5 Техніка безпеки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .18
7.6 Ефект Майснер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20
8. Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .22
9. Список літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .25

1. Введення.
Фазами називають однорідні різні частини фізико-хімічних систем. Однорідним є речовина, коли всі параметри стану речовини однакові у всіх його обсяги, розміри яких великі порівняно з міжатомними станами. Суміші різних газів завжди становлять одну фазу, якщо в усьому обсязі вони знаходяться в однакових концентраціях.
Одне і те ж речовина в залежності від зовнішніх умов може бути в одному з трьох агрегатних станів - рідкому, твердому чи газоподібному паливі. У залежності від зовнішніх умов може перебувати в одній фазі, або відразу в декількох фазах. У навколишньому нас природі ми особливо часто спостерігаємо фазові переходи води. Наприклад: випаровування, конденсація. Існують такі умови тиску і температури, при яких речовина знаходиться в рівновазі в різних фазах. Наприклад, при зріджуванні газу в стані рівноваги фаз обсяг, може бути яким завгодно, а температура переходу пов'язана з тиском насиченої пари. Температури, при яких відбуваються переходи з однієї фази в іншу, називаються температурами переходу. Вони залежать від тиску, хоча і в різному ступені: температура плавлення - слабше, температура пароутворення і сублімації - сильніше. При нормальному і постійному тиску перехід відбувається при певному значенні температури, і тут мають місце точки плавлення, кипіння і сублімації (або сублімації.). Сублімація - це перехід речовини із твердого стану в газоподібний можна спостерігати, наприклад, в оболонках кометних хвостів. Коли комета знаходиться далеко від сонця, майже вся її маса зосереджена в її ядрі, що має розміри 10-12 кілометрів. Ядро, оточене оболонкою невеликий газу - це так звана голова комети. При наближенні до Сонця ядро ​​і оболонки комети починають нагріватися, ймовірність сублімації зростає, а десублімації - зменшується. Вириваються з ядра комети гази захоплюють за собою і тверді частинки, голова комети збільшується в об'ємі і стає газопилової за складом.

2. Фазові переходи першого і другого роду.
Фазові переходи бувають кількох родів. Зміни агрегатних станів речовини називають фазовими переходами першого роду, якщо:
1) Температура постійна під час всього переходу.
2) Змінюється об'єм системи.
3) Змінюється ентропія системи.
Щоб відбувся такий фазовий перехід, потрібно даної масі речовини пообшіть певну кількість тепла, відповідного прихованої теплоті перетворення. Справді, при переході конденсованої фази у фазу з меншою щільністю потрібно повідомити деяку кількість енергії у формі теплоти, яке піде на руйнування кристалічної решітки (при плавленні) або на видалення молекул рідини один про одного (при паротворенні). Під час перетворення прихована теплота піде на перетворення сил зчеплення, інтенсивність теплового руху не зміниться, в результаті температура залишиться незмінною. При такому переході ступінь безладу, отже, і ентропія, зростає. Якщо процес йде у зворотному напрямі, то прихована теплота виділяється. До фазовим переходам першого роду відносяться: перетворення твердого тіла в рідкий (плавлення) і зворотний процес (кристалізація), рідкого - на пару (випаровування, кипіння). Однією кристалічної модифікації - в іншу (поліморфні перетворення). До фазовим переходам другого роду належить: перехід нормального провідника в надпровідний стан, гелій-1 в надтекучий гелій-2, феромагнетика - в парамагнетик. Такі метали, як залізо, кобальт, нікель і гадоліній, виділяються своєю здатністю сильно намагнічуються і довго зберігати стан намагніченості. Їх називають феромагнетиками. Більшість металів (лужні і лужноземельні метали і значна частина перехідних металів) слабко намагнічуються і не зберігають це стан поза магнітного поля - це парамагнетики. Фазові переходи другого, третього і так далі пологів пов'язані з порядком тих похідних термодинамічного потенціалу ∂ ф, які відчувають кінцеві вимірювання в точці переходу, Така класифікація фазових перетворень пов'язана з роботами фізика - теоретика Пауля Ернеста (1880 -1933). Так, у випадку фазового переходу другого роду в точці переходу відчувають скачки похідні другого порядку: теплоємність при постійному тиску Cp =- T (∂ ф 2 / ∂ T 2), стисливість β =- (1 / V 0) (∂ 2 ф / ∂ p 2), коефіцієнт теплового розширення α = (1 / V 0) (∂ 2 ф / ∂ Tp), тоді як перші похідні залишаються безперервними. Це означає відсутність виділення (поглинання) тепла і зміни питомої обсягу (ф - термодинамічний потенціал).
Стан фазового рівноваги характеризується певною зв'язком між температурою фазового перетворення і тиском. Чисельно ця залежність для фазових переходів дається рівнянням Клапейрона-Клаузіуса: Dp / DT = q / TDV. Дослідження при низьких температурах - дуже важливий розділ фізики. Справа в тому, що таким чином можна позбутися від перешкод пов'язаних з хаотичним тепловим рухом і вивчати явища в "чистому" вигляді. Особливо важливо це при дослідженні квантових закономірностей. Звичайно через хаотичного теплового руху відбувається усереднення фізичної величини по великому числу її різних значень і квантові стрибки "змащуються".
Низькі температури (криогенні температури), у фізиці і кріогенної техніки діапазон температур нижче 120 ° К (0 ° с = 273 ° К); роботи Карно (працював над тепловим двигуном) і Клаузіуса поклали початок дослідженням властивостей газів і парів, або технічної термодинаміки. У 1850 році Клаузіус зауважив, що насичений водяний пар при розширенні частково конденсується, а при стисканні переходить в перегріте стан. Особливий внесок у розвиток цієї наукової дисципліни вніс Реню. Власний об'єм молекул газу при кімнатній температурі складає приблизно одну тисячну обсягу, займаного газом. Крім того, молекули притягуються одна до одної на відстанях, що перевищують ті, з яких починається їх відштовхування.

3. Ідеальний газ.
Ідеальний газ, ідеалізована модель газу; в ідеальному газі сили взаємодії між частинками (атомами, молекулами) пренебрежимо малі. До ідеальним газам близькі виряджені реальні гази при температурах, далеких від температури і конденсації. Залежність тиску ідеального газу від його температури і щільності виражається рівняння Клапейрона, (Клаперона-Менделєєва рівняння), знайдена Б.П. Е. Клапейроном (1834) залежність між фізичними величинами, що визначають стан ідеального газу (тиском р, об'ємом V, і абсолютною температурою Т): PV = BT, де коефіцієнт В залежить від маси газів М і його молекулярної маси. Для одного моля ідеального газу pV = RT, де R-газова постійна. Якщо молярна маса газу μ, то pV = M / μ * RT.

4. Реальний газ.
Реальний газ, відрізняється від ідеального газу існуванням взаємодії між його частинками (молекулами, атомами). При малих плотностях наявність міжмолекулярної взаємодії враховується віріальних рівнянням стану реального газу: pV = RT [1 + B (T) / υ + C (T) / υ 2 + ...], де р - тиск, υ - молярний об'єм, Т - абсолютна температура, R - газова стала, В (Т), С (Т) і так далі - віріальних коефіцієнти, які залежать від температури і характеризують парні, потрійні і так далі взаємодії частинок в газі. Існують і інші напівемпіричні та теоретичні рівняння стану реальних газів, наприклад: рівняння Ван дер Ваальса (нідерландського фізика), запропоноване Ван дер Вальсом (1873г) рівняння стану реального газу, що враховує кінцівку обсягу молекул і наявність міжмолекулярних сил тяжіння; для одного моля газу має вигляд : (р + а / V 2) (vb) = RT, де р - тиск, V - об'єм одного моля, T - абсолютна температура, R - універсальна газова стала, a і b постійні, що характеризують взаємодію молекул даної речовини. Третій початок термодинаміки: в міру наближення температури до 0K. Ентропія всякої рівноважної системі при ізотермічних процесах перестає залежати від будь-яких термодинамічних параметрів стану і в межі (T = 0K) приймає одну і ту ж саму для всіх систем постійну величину, яку можна прийняти рівною нулю. Третій закон передбачає виродження ідеальних азів при низькій температурі. Як показав розвиток квантової статистики, таке виродження дійсно має місце. Воно вказує на недостатність класичної механіки і заснованої на ній класичної статистики в області низьких температур. Квантова статистика показує, що третій початок термодинаміки є мікроскопічним проявом квантових властивостей реальних систем при низьких температурах. Властивості реальних систем вивчалися експериментально.
5. Молекулярно - кінетична теорія критичних явищ.
Незабаром після відкриття закону Бойля - Маріотта (добуток обсягу даної маси ідеального газу на його тиск постійно при постійній температурі; встановлено незалежно Р. Бойл (1660) і Е. Маріотт (1676г)) були виявлені відхилення від нього: нідерландський фізик Мартін Ван Марум встановив , що при тиску 7 атмосфер газоподібний аміак переходить у рідкий стан; приблизно тоді ж Лавуазьє відзначив роль охолодження у зміні стану газів. У середині минулого століття з'явилися спроби врахувати ці відхилення кількісно, ​​щоб ввести поправки, але всі вони були випадковими і не зв'язувалися з критичними станами газів. Ван-дер-Ваальс показав глибинний зв'язок між рідким і газоподібним станами речовини, пояснив їх безперервний перехід один в одного і розвинув молекулярно-кінетичну теорію критичних явищ. Його теорія дозволила передбачити існування нестійких станів речовини. Після створення Гіббсом статистичної механіки наочна теорія Ван-дер-Ваальса була переведена на суворий математичну мову. Гіббс дав розгорнутий виклад методу термодинамічних потенціалів та його застосування до аналізу рівноваги. З позиції свого методу він єдиним чином досліджував закони утворення нової фази, дав знамените правило фаз (в термодинаміці: число равновесно співіснують в якій або системі фаз не може бути більше числа утворюють ці фази компонентів плюс, як правило, 2). Встановлено Дж. У. Гіббсом в 1873-1876гг, розглянув поверхневі і електрохімічні явища, багатокомпонентні системи і тому подібні. Розвиваючи метод Гіббса, Дюгем у своїх роботах ввів термін «термодинамічний потенціал». Гіббс прийшов до ідеї введення таких функцій після дослідження поведінки функції (Е-ТS + pV), коли помітив, що умова сталого рівноваги зводиться до рівності б (Е-ТS + рv) = 0. Екстремальні значення цієї функції виявилися необхідними і достатніми умовами рівноваги систем при ізобарно - ізотермічних процесах. Надалі цю функцію назвали ізобарно - ізотермічним потенціалом, чи потенціалом Гіббса. Потім Гіббс встановив, що термодинамічні властивості системи можна описати ще трьома функціями, з властивостями потенціалів - внутрішньою енергією (діабатіческій потенціал) і теплової функцією (ентальпія). У хімічній термодинаміці важливий і хімічний потенціал, введений Гіббсом.
З точки зору статистичної механіки виведення рівняння стану зводиться до знаходження нової функції стану вільної енергії F = E-TS як функції параметрів p, T, V. Тоді рівняння стану знаходиться як p =- I ∂ I ± I ∂ VIT. Потрібно було знайти вільну енергію системи, обчисливши відповідний інтервал, що було непростим завданням. Гіббс розумів, що для повного опису системи, що дається термодинамічними потенціалами, потрібне знання молекулярної структури і характеру взаємодії частинок. Тому він розробив метод знаходження статистичних аналогів для ізотермічного та хімічного потенціалів. Метод Гіббса був придатний для будь-яких систем, але математичні труднощі того часу не дозволяли піти від ідеалізованих моделей.

6. Надплинність.
У 1945 році відомий радянський математик і фізик-теоретик М. М. Боголюбов, розробив більш досконалий метод вирішення проблем статистичної фізики, привів рівняння стану реальних газів на увазі: p = (NkT / V) (1 = NB 1 (T) / V + N 2 B 2 / V 2 + N 3 B 3 / V 3 + ... ..), де B - функції температури, звані віріальних коефіцієнтами, які визначаються за законами взаємодії молекул. при низьких температурах стає можливим спостерігати мікроскопічні квантові явища - надпровідність і надтекучість. Надплинність - це властивість квантових рідин - текти без тертя. Вперше виявлено в 1938 році радянським вченим П. Л. Капіцею в рідкому гелії. При температурах нижче 2,17 К в'язкість гелію звертається в нуль, і він вільно протікає через дуже вузькі капіляри. Теоретичне пояснення явища надплинності було дано в 1941 році радянським вченим Л. Д. Ландау (Ландау Лев Давидович (1908 - 1968), російський фізик-теоретик, засновник наукової школи, академік АН СРСР (1946), Герой Соціалістичної Праці (1954)). Праці в багатьох областях фізики: магнетизм; надтекучість і надпровідність, фізика твердого тіла, атомного ядра і елементарних частинок, фізика плазми; квантова електродинаміка; астрофізика та ін
Автор класичного курсу теоретичної фізики (спільно з Є. М. Ліфшицем). Ленінська премія (1962), Державна премія СРСР (1946, 1949, 1953), Нобелівська премія (1962). За теорією Ландау, незвичайність гелію полягає в наступному: рідкий гелій існує у двох формах. В області температур від 4,2 до 2,18 К (так звана l-точка) він веде себе як класична рідина - це гелій. Нижче l-точки він складається, як би з двох рідин одна веде себе як гелій-1, інша проявляє властивості надтекучості - проводить тепло без втрат, то є. Її теплопровідність дорівнює нескінченності. Не має опору перебігу, або має нульову в'язкість, - це гелій-2. У l-крапці відбувається фазовий перехід між станами гелію. Відносна кількість кожної з компонент гелію залежить від температури, причому його можна визначити вимірюванням сили, що діє на предмет, що рухається в рідині. Досліди показують, що при температурі нижче 1К практично весь гелій, що знаходиться в сверхтекучем стані. Атоми рідкого гелію утворюють єдину квантову систему, енергію і імпульс якої можна змінити тільки відразу на кінцеву величину, стрибком. Тому до певної швидкості рідкий гелій тече без тертя, не помічаючи перешкод, - має властивість надтекучості. Надплинність є колективним ефектом. Атоми гелію мають цілий (нульовий) спін і тому накопичуються в однакових станах. У результаті квантові властивості кожної частки посилюються. Спін. Елементарні частинки - це маленькі обертаються дзиги. Вони характеризуються моментом кількості руху, або, коротко, кутовим моментом. Відповідно до квантової механіки, кутовий момент системи може приймати не будь-які значення: його скачки дорівнюють постійної Планка ħ (1,054 * 10 -34 * Дж * с), кутовий момент елементарних частинок природно вимірювати в одиницях Планка. Момент, який вимірюється в таких одиницях, називається спіном. Спін гелію-4 атома гелію дорівнює нулю, є бозоном, підпорядковується статистиці Бозе-Ейнштейна і тому не підпорядковується забороні Паулі (Згідно з принципом Паулі: в кожному квантовому стані може перебувати тільки один електрон.), А ізотоп гелію гелій-3, що є ферміоном, підпорядковується забороні Паулі і не дає явища надплинності. При зниженні температури гелію енергія його атомів, природно, зменшується. При якийсь дуже низькій температурі всі вони опиняться в найнижчому енергетичному стані, оскільки заборона Паулі для них не застосуємо. І будуть мати однакові хвильові функції. Атоми надтекучого гелію поводяться узгоджено, як єдине ціле. Безладдя в цій системі немає, ентропія дорівнює нулю.

7. Надпровідність.
Надпровідність - досить незвичайний феномен, що відрізняється від усього того, до чого ми звикли. Буквально це явище з іншого світу. Ми живемо в класичному світі, а надпровідність явище квантове, але в макроскопічних масштабах. Наприклад, хвильові функції в квантовій механіці вводять штучно, а у надпровідності вони виступають природним чином як вимірні величини.
7.1 Відкриття надпровідності.
властивості надпровідників
застосування
Створення магнітного поля
Передача електроенергії
Обробка інформації
Нульове електричний опір
+
+
+
Великі передаються струми
+
+
-
Велике магнітне поле
+
-
-
Фазовий перехід
-
-
+
Квантові ефекти
-
-
+
Надпровідність спостерігалася вперше при охолодженні ртуті в 1911 році голландським ученим Гейко Каммерлінг-Оннес. Дослідження в області низьких температур, що спочатку мали суто практичну спрямованість, при температурі 7,2 K опір свинцевого провідника раптово знизилося в мільйони разів і практично зникло.
Це дивне явище отримало назву надпровідності. Явище надпровідності можна зрозуміти та обгрунтувати лише за допомогою квантових уявлень. Майже півстоліття сутність цього явища залишалася нерозшифрованої, через те, що методи квантової механіки ще не повною мірою використовувалися у фізиці твердого тіла.
В одному з експериментів в зробленому з чистого свинцю кільці був наведений струм в декілька сотень ампер. Через рік виявилося, що струм все ще продовжує йти в кільці, і величина його не змінилася, тобто опір свинцю було дорівнює нулю! За відкриття надпровідності Камерлінг-Оннес був удостоєний лауреата Нобелівської премії.

7.2 Електрон - фононне взаємодію.
Явище надпровідності і надтекучості представляють собою макроскопічний квантовий ефект. Брати Фріц і Гейнц Лондон створили феноменологічну теорію надпровідності. У 1950 році англійський фізик Герберт Фреліх розробив теорію надпровідності, пов'язавши її з електрон-фононною взаємодією, оскільки електрони взаємодіяли через пружні коливання кристалічної решітки (яким і зіставлялися квазічастинки - фонони). Розглянемо докладніше механізм виникнення електронних пар, пов'язаних силами тяжіння, які частіше називають куперовских парам.
Рис. 1
При русі електрона в надпровіднику при Т <Т кр. Позитивні іони, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки (перетину пунктирних ліній на рис.1), притягуються до електрона, зміщується від положення рівноваги в його бік. Подальше кулонівське відштовхування позитивних іонів призводить до поширення по решітці пружної хвилі.

Другий електрон, що знаходиться досить далеко від першого, притягується в його бік смещающихся назустріч позитивним іоном решітки. Подібне тяжіння між парою електронів може виникати, навіть якщо вони знаходяться один від одного на відстані, в тисячі разів перевищує період гратки (відстань між сусідніми вузлами). Рух електронів в парі перестає бути незалежним. Завдяки тяжінню між електронами в парі воно стає узгодженим. Тяжіння між електронами перешкоджає зіткненню кожного з них окремо з іонами решітки. Електрони в надпровіднику (на відміну від звичайного провідника) є «єдиним колективом» куперовских пар. Електричний струм у надпровіднику обумовлений узгодженим рухом куперовских пар електронів. Чим сильніше взаємодія електронів з гратами, тим сильніше їх тяжіння один до одного, тим легше утворюються куперовских пари. Для хороших провідників (Ag, Cu, Au) ця взаємодія мало, тому такі провідники не переходять в надпровідний стан. При Т> Т кр. Хаотичний рух іонів домінує над упорядкованим: куперовских пари руйнуються, і електрони рухаються по кристалу незалежно, як у звичайному провіднику. Надпровідні властивості провідників зникають при пропущенні через них сильного електричного струму, що створює магнітне поле, що руйнує надпровідний стан надпровідників.
Облікові з Окриджській національної лабораторії (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) продемонстрували можливість збереження ефекту надпровідності в присутності сильного магнітного поля. Таким чином, зроблено черговий крок, який може розширити практичне застосування надпровідності. Суть методу полягає у формуванні в товщі надпровідника своєрідних самосовмещенних ліній з «рення наноточок», що не володіють властивістю надпровідності. Нагадаємо, ефект надпровідності виникає при низьких температурах. За роки досліджень вченим вдалося підвищити температуру, при якому явище має місце, замінивши охолодження з використанням рідкого гелію, що застосовувався в старих системах, на більш практичне охолодження з використанням рідкого азоту. Тим не менше, для багатьох областей застосування надпровідності перешкодою залишалися магнітні поля. Проблема полягала в тому, що сили, що виникають між атомами надпровідника, примушували їх рухатися під дією магнітного поля, створюючи електричний опір і викликаючи розсіювання енергії. «Вбудовуючи» в надпровідник «наноточкі» - мікроскопічні порції речовини з низькою провідністю - вченим вдалося зафіксувати рухливі ділянки і забезпечити безперешкодне проходження струму надпровідності. Результати роботи, виконаної в ORNL, підвищують шанси на використання надпровідників в моторах, генераторах, системах протиповітряної оборони та інших додатках, де воно було обмежено негативним впливом магнітних полів.
7.3 Надпровідники першого та другого роду.
За своїм магнітним властивостям надпровідники діляться на надпровідники Ι і ΙΙ роду. До надпровідниках Ι роду відносяться всі елементи-надпровідники крім ніобію. Ніобій, надпровідні сплави і хімічні сполуки є надпровідниками ΙΙ роду. Головна відмінність цих двох груп надпровідників полягає в тому, що вони по-різному відгукуються на зовнішнє магнітне поле. Основною перешкодою для широкого застосування металевих надпровідників є необхідність їх експлуатації при наднизької температури. Використання для їх охолодження рідкого гелію при Т = 4К створює значні труднощі і не завжди виправдано економічно. При наднизьких температурах тепловий рух в речовині практично припиняється, і під впливом електронів виникають слабкі коливання атомів. Ці коливання, схожі на звукові хвилі, але мають квантовий характер, радянський фізик Ігор Євгенович Тамм назвав фононами. Сучасна теорія надпровідності - БКШ - теорія (Бардін, Купер, Шріффер - лауреати Нобелівської премії за 1972 рік) була опублікована в 1957 році.
Як можна зрозуміти з її пояснення, вона являє собою мікроскопічну теорію надпровідності, засновану на тих же положеннях, що і теорія Ландау. У БКШ - теорії досліджено також електра і термодинамічні властивості надпровідників. Пошук надпровідників з великою критичною температурою привів до отримання в 1988 - 1989 рр.. високотемпературних металокерамічних сплавів (Ba-Yt-Cu-O) і (Tl-Ca-Ba-Cu-O) з великою критичною температурою (див. таблицю 1). Отримання надпровідних станів для цих сплавів можливо за допомогою недорогого і безпечного в експлуатації рідкого азоту, що має температуру кипіння 77К. найбільше спостерігалося значення Т кр складає ~ 20К. В даний час зусилля фізиків спрямовані на отримання надпровідників із критичною температурою, близькою до кімнатної. Ці надпровідники повинні задовольняти високим вимогам до механічної міцності і хімічної стабільності. Механізм надпровідності у так званих високотемпературних надпровідників (СТК? 100К) поки не відомий.
Принаймні, один матеріал з числа виявлених і відчиняються надпровідників можна виготовити під керівництвом вчителя фізики (і хімії). Надпровідник складу Y-Ba-Cu-O. У якості вихідних компонентів знадобляться: окис іттріяY 2 O 3, вуглекислий барій BaCO 3 та окис CuO.
7.4 Рецепт виготовлення надпровідника.
Рецепт:
1) Візьміть 1,13 м. окису ітрію, 3,95 р. вуглекислого барію і 2,39 м. окису міді.
2) Перемішайте, а потім потовчіть в порошок у ступці.
3) Отриману суміш отожгіте - протримаєте в печі при температурі 950 0 C приблизно 12часов.
4) Охолодите отриманий грудку, знову потовчіть його в ступці.
5) Спресуйте порошок в таблетки.
6) Знову отожгіте вийшли таблетки при тій температурі і протягом того ж часу, проте тепер з обов'язковою подачею в піч кисню.
7) Повільно охолодіть таблетки - швидкість зниження температури не повинна перевищувати 100град / ч.
7.5 Техніка безпеки.
Зауваження по техніці безпеки.
Як сам матеріал надпровідника Y-Ba-Cu-O, так і вихідні компоненти не належать до числа отруйних речовин. Однак при роботі з ними необхідно дотримувати певні правила. Потрібно використовувати захисні окуляри, рукавички, а при подрібненні компонентів у ступці обов'язково надягати марлеві пов'язки на рот. Вдихати пил вуглекислого барію та окису міді шкідливо. Провидить всі операції в приміщенні, обладнаному витяжкою, - це, втім, обов'язковий елемент обладнання будь-якій лабораторії. У тому числі і в шкільній.
Зауваження до рецепту.
Зазначені кількості вихідних компонентів дозволяють отримати приблизно 7 грам надпровідника Y-Ba-Cu-O, або близько 5 таблеток діаметром 1см. і товщиною 1мм.
Деякі труднощі, що зустрічаються при виготовленні:
Вихідні компоненти не належать до числа рідкісних речовин. Їх можна знайти в різних наукових установах, а також на багатьох підприємствах. Отримати описуваний надпровідник можна за більш простою схемою і з інших компонентів. Проте краще починати з наведеного рецепта. Для відпалу можна використовувати піч, призначену для виготовлення кераміки. Такі печі є в багатьох гуртках кераміки і в художніх студіях. Справа в тому, що виготовляється надпровідник так само представляє собою кераміку, як і деякі знайомі предмети домашнього ужитку. Тільки нам потрібна кераміка - метал, тому таблетки будуть виходити іншого кольору - чорні. Колір керамічного надпровідника - важливий показник його якості. Якщо він вийде з прозеленню, значить, досвід виготовлення був не вдалий, і все треба починати спочатку (при цьому можна подрібнити вийшли таблетки). Зелений колір свідчить про нестачу кисню у зразку. Бажано отримати матеріал з хімічною формулою: Y-Ba 2 Cu 3 O 7. Проте контролювати вміст кисню по вихідної суміші неможливо, до того ж кисень здатний випаровуватися в процесі виготовлення. Так що подача кисню в піч при відпалі істотна. Сам кисень можна отримати у наукових, медичних, виробничих організаціях (він використовується, наприклад, при зварюванні). Для подачі його в піч можна застосувати насос, який служи для накачування повітря в акваріум. Швидкість подачі кисню може бути мінімальною такий, що б шкіра відчувала легкий подих газу. Досить істотно підтримання температури відпалу. Робота буде марною, якщо температура відпалу опускається нижче 900 ° С. Перевищення робочої температури на 100 ° призведе до розплавлення суміші. Тоді доведеться її знову потовкти і почати все з початку. Так що треба заздалегідь перевірити термометр печі, зазвичай він показує далекі від істини значення. Дуже важливо повільно охолоджувати виготовлені таблетки - швидке охолодження веде до втрати кисню. Таким чином, спочатку цикл відпал-охолодження буде займати 20 годин. Необхідно організувати нічні чергування. При виготовленні знадобиться також прес. Оцінка показує, що потрібно розвивати зусилля в 7 тисяч на таблетку діаметром близько 1 см., щоб отримати гарний зразок. Мабуть, таблетки можна пресувати навіть за допомогою саморобного гвинтового преса. Варто звернути увагу також на вибір тигля, в якому віджигається матеріал. Металевий тигль може реагувати зі надпровідником, іноді з небажаними наслідками. До тих самих наслідків можуть привести домішки в суміші вихідних матеріалів. Наприклад, 2-3% домішки атомів заліза замість міді ведуть до придушення надпровідності.
Що можна робити з виготовленими таблетками?
Можна переконатися в різкому падінні опору при надпровідному переході. Однак за допомогою стандартних приладів навряд чи вдасться за величиною опору відрізнити надпровідний зразок від мідного. Експериментально надпровідність можна спостерігати, включивши в загальну електричну ланцюг ланка з надпровідника. У момент переходу в надпровідний стан різниця потенціалів на кінцях цієї ланки звернена в нуль. Явище надпровідності можна зрозуміти та обгрунтувати лише за допомогою квантових уявлень. Майже півстоліття сутність цього явища залишалася не розшифрованої, через те, що методи квантової механіки ще не повною мірою використовувалися у фізиці твердого тіла. Набагато наочніше демонстрація ефекту Майснер. У будь-якому випадку для охолодження знадобиться рідкий азот. (Майснер Вальтер Фріц (1882-1974гг.), Німецький фізик).
7.6 Ефект Майснер.
Директор лабораторії низьких температур Баварської Академії Наук. У 1932 році спільно з Р. Хольман спостерігав Ефект тунелювання між двома надпровідниками, спільно з іншими виявив ефект, названий його ім'ям. Ефект Майснер, витіснення магнітного поля з металевого провідника при його переході в надпровідний стан відкритий в 1933 році німецькими фізиками В. Майснер і Р. Оксенфельдом. До 1993 року вважалося, що надпровідник - це і є ідеальний провідник. Але ось Майснер і Оксенфельд поставили досвід і виявили, що це не так! Виявилося, що при Т <Т кр полі у зразку дорівнює нулю (В = 0, де В - індукція) завжди, незалежно від шляху переходу до умови Т <Т кр при наявності зовнішнього магнітного поля. Це було надзвичайно важливе відкриття. Адже якщо В = 0 незалежно від передісторії зразка, то це рівність можна розглядати як характеристику надпровідного стану, що виникає при Н <Н ст. Але тоді можна розглядати перехід в надпровідний стан та будуть використані для дослідження надпровідної фази речовини всю міць термодинамічного підходу.

8. Висновок.
Надпровідність - явище цікаве. Вивчаючи незвичайні і вражаючі властивості надпровідників, фізики глибше проникають у таємниці пристрою матерії. Інженери прагнуть зробити надпровідники своєю зброєю змусити їх працювати. Надзавдання для надпровідників - передача їх корисних властивостей об'єктів нової техніки. Надпровідники - це новий клас провідникових матеріалів з екстраординарними властивостями, бо в них відсутній омічний опір. Щільності струмів, що пропускаються по надпровідниках, можна збільшити до 10 3 -10 4 А / мм 2, тобто вони будуть у тисячі разів більше, ніж по міді або алюмінію. Надпровідні матеріали не тільки широко використовуються при конструюванні магнітів в дослідницьких цілях, але і мають велике практичне застосування. Очікується, що в недалекому майбутньому на зміну громіздким щоглах електропередачі прийдуть підземні електропроводні лінії. У Японії в 1988 році побудований дослідний зразок залізниці з надпровідної магнітної підвіскою, поки її довжина 8 кілометрів. Суть її в тому, щоб поїзд (або вагон) рухався без коліс. Тримати ж вагон над дорогою і рухати його вперед повинен магнітне поле, яке створюють встановлені в днищі вагону надпровідні магніти. Залізничний шлях представляє совою смугу з покладених перпендикулярно руху металевих стрижнів, в яких наводиться керована за допомогою ЕОМ хвиля струму, що біжить під вагоном і перед вагоном. Взаємодія струму з магнітним полем одночасно тягне вагон вперед і підтримує просвіт між дном вагона і дорогою.
Надпровідний магніт, надпровідний магнітометр прилад для вимірювання магнітних полів і їх градієнтів, (векторів g, що показують найшвидшого зростання даного скалярного поля φ (Р), де Р - точка простору; позначається g = grad φ (Р).) Дія яких заснована на ефекті Джозефсона. Перебіг надпровідного струму через тонкий (~ 10А) шар діелектрика, що розділяє два надпровідника (так званий контакт Джозефсона). Ефект передбачив Б. Джозефсон (1962 р.). На його основі створено надпровідний квантовий інтерферометр (СКВІД), за допомогою якого уточнені значення ряду фундаментальних фізичних констант. Ефект Джозефсона використовується у кріогенних приладах; контакти Джозефсона застосовуються також як швидкодіючих логічних елементів ЕОМ. У 1962 році з'явилася стаття нікому до цього не відомого автора Б. Джозефсона, у якій теоретично передбачалося існування двох дивовижних ефектів. Ці ефекти слід було очікувати в тунельних надпровідникових контактах. Перший ефект полягає в тому, що через тунельний перехід можливо перебіг надпровідного (бездіссіпатівного) струму (надструму). Лідери блоку, що критичне значення цього струму буде досить химерним чином залежати від зовнішнього магнітного поля. Якщо струм через такий перехід стане джерелом високочастотного електромагнітного випромінювання. Це - другий ефект Джозефсона. Незабаром доведено експериментально. Чутливість надпровідних магнітометрів досягає 10 -15 Тл (10 -15 Гс). Нобелівський комітет присудив премію з фізики 2003 двом російським ученим і американцеві за пояснення феноменів надтекучості і надпровідності. PRIVATEЧлени Нобелівського комітету, що засідають в Шведської королівської академії наук, відзначили нагородою російського професора Віталія Гінзбурга з фізичного інституту імені Лебедєва РАН (Москва, Росія), російського ж професора Олексія Абрикосова з Аргоннської національної лабораторії (аргон, Іллінойс, США) та професора Ентоні Дж. Леггетт (університет Іллінойсу, Урбана, Іллінойс, США). Як написано в офіційному прес-релізі Нобелівського комітету, вони внесли вирішальний внесок у пояснення двох феноменів квантової фізики: надпровідності і надтекучості. У цьому році розмір премії становив $ 1,2 млн. Абрикосов Олексій Олексійович. Народився 25 червня 1928 року, через три роки після закінчення другої світової війни став випускником МДУ ім. Ломоносова. Після цього протягом 17 років пропрацював в Інституті фізичних проблем АН СРСР.

Список літератури:
1. Базаров І.П. «Термодинаміка» видання третє Москва видав. «Вища школа» 1983 рік.
2. Бланке А.Я. «Фізика» навчальний посібник для студентів нефізичних спеціальностей вузів Харків вид. «Каравела» 1996год.
3. Гінзбург В.Л., «Надпровідність». Москва: педагогіка 1990 рік.
4. Дубніщева Т.Я. «Концепції сучасного природознавства» Новосибірськ, 1997год.
5. Кабардин О.Ф. «Фізика» Москва, вид. «Просвещение» 1991 року.
6. Околотін В. «Надзавдання для надпровідників» вид. «Знання» Москва 1983 рік.
7. Ремізов О.М. «Курс фізики, електроніки та кібернетики» Москва видав. «Вища школа» 1982 рік.
8. Савельєв І.В. «Курс загальної фізики» том 3. Москва видав. «Наука» 1982 рік.
9. Солімар Л., Уолш Д. «Лекції з електричними властивостями матеріалів» Москва видав. «Світ» 1991 рік.
10. Чуянов В.А. «Енциклопедичний словник юного фізика» друге вид., Виправлене і доповнене - М.: Педагогіка, 1991року.
11. Шмідт В.В. «Введення в фізику надпровідників» Москва видав. «Наука» 1982 рік.
12. Яворський Б.М., Детлаф А.А. «Довідник з фізики» Москва видав. «Наука» 1985 рік.
13. Яворський Б.М. «Курс фізики» I тому вид. «Вища школа» Москва 1965год.
14. Новий енциклопедичний словник. Москва, «Велика Російська енциклопедія» вид. «Рипол Класик» 2001год.
15. Всі 100000 рефератів «ALEX SOFT»
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
77.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Термодинамічне рівновагу і стійкість Фазові переходи
Переходи звуків
Мітки та переходи
Фазові рівноваги
Фазові рівноваги та діаграми стану
Реальні контракти
Аналого цифрова стежить система Цифрові тимчасові фазові дискриміна
Аналого-цифрова стежить система Цифрові тимчасові фазові дискримінатори
Реальні опціони їх переваги та недоліки
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru