Министерство общего и профессионального образования
Пермский Государственный университет имени А.М. Горького
Кафедра экспериментальной физики
Курсовая работа
Сверхпроводимость и ее использование для проведения
физических измерений
Исполнитель: студент первого курса
Физического факультета
Перевозчиков А.Ю.
Руководитель: старший преподаватель
кафедры экспериментальной физики
кандидат физ. – мат. Наук
Лунегов И.В.
Пермь 1999 г.
TOC \o “1-3” ВВЕДЕНИЕ. PAGEREF _Toc385066509 \h 3
Из истории PAGEREF _Toc385066510 \h 3
Электрометры и электроскопы PAGEREF _Toc385066511 \h 3
Терминология и теоретические основы PAGEREF _Toc385066512 \h 3
Пределы чувствительности приборов различного типа PAGEREF
_Toc385066513 \h 4
Предельная чувствительность и метод спадания (утечки) PAGEREF
_Toc385066514 \h 4
ТЕОРИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ PAGEREF _Toc385066515 \h 5
Идеальный проводник и сверхпроводник PAGEREF _Toc385066516 \h 6
Эффект Мейснера PAGEREF _Toc385066517 \h 6
Основы микроскопической теории сверхпроводимости PAGEREF _Toc385066518
\h 9
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ. PAGEREF _Toc385066519 \h 11
Основные характеристики композитных ВТСП-проводников PAGEREF
_Toc385066520 \h 12
КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР PAGEREF _Toc385066521 \h 14
Литература PAGEREF _Toc385066522 \h 17
ВВЕДЕНИЕ.
Из истории
В «кратком руководстве к физике», изданном в Санкт-Петербурге в начале
XIX века, говорится: «Физика есть столько приятная, сколько и полезная
наука, толкующая свойства тел или предметов, нас окружающих. Свойства
тел познаются или через наблюдения, когда тело рассматривается в
естественном состоянии, то есть так, как оно есть, или через опыты,
когда тело приводят в такое состояние, до какого оно само дойти никогда
не может» В общем, всё правильно. Физик тем и отличается от натуралиста,
что он не только наблюдает, но и исследует природу, ставя опыты, приводя
тела в такое состояние, до какого они сами дойти, не могут. Физика –
приятная наука, поскольку дарит исследователю минуты вдохновения,
сладость которых скрашивает годы труда и тревог. Тревог, потому что
результат опыта – число – должен быть подвергнут строгой обработке,
контролю и анализу на всех этапах эксперимента, потому что выбор методик
неоднозначен и зависит от квалификации и интуиции исследователя, потому
что появление новых экспериментальных возможностей побуждает его самого
и других к постоянной проверке и уточнению уже полученных результатов.
Ещё в недалёком прошлом для точных измерений изменений зарядов
использовались электрометры и электроскопы.
Я счёл нужным уделить электрометрам и электроскопам немного места в моей
курсовой.
Электрометры и электроскопы
Терминология и теоретические основы
Определения: не всегда бывает ясно, что именно отличает электрометр от
электроскопа, и вследствие этого в литературе существует некоторая
путаница. Для наших целей полезно установить следующие различия:
электроскоп представляет собой электростатический прибор, для работы, с
которым требуется только одна измеряемая разность потенциалов, для
работы электрометров необходимо наличие добавочной разности потенциалов.
Примерами подобных приборов являются обычный электроскоп с золотыми
листочками и квадрантный электрометр (В русской литературе приняты
другие определения для электроскопов и электрометров – первый является
индикатором, а второй измерителем заряда. Указанные ранее признаки
относятся к способам включения электрометра).
Измерения методом постоянных отклонений
В некоторых случаях желательно применять вместо метода утечки
(спадающего отсчёта) постоянные отклонения. Это можно сделать, пользуясь
электрометром для измерения падения напряжения на фиксированном
сопротивлении.
Предположим, что нам желательно измерить постоянную источника ионов I.
Пусть емкость внешней системы, относительно земли будет С1 и
электрометра С2 и пусть падение напряжения измеряется на сопротивлении
R1. Тогда
i1+i2= I( , i1=V/R1 , i2=dQ2/dt=C2*dV/dt , I=dQ1/dt+I’ ,
V=i1R1 .
Уравнение для потенциала на электрометре тогда будет:
V=[ I-(C1+C2)*dV/dt]*R1
Решая и подставляя граничные условия , t=0, V=0, получим:
V=I*R1 *[ 1-e-t/(C1+C2)*R1].
Таким образом, потенциал на электрометре экспоненциально возрастает.
Если произвольно условиться, что мы будем ждать до тех пор, пока
отклонение составит 99% окончательного отклонения, тогда мы должны
ожидать время t=4.6*R1*C, где C=C1+C2 .Спустя это время, отклонение
будет приблизительно V*SV . Если мы измеряем I методом утечки
(спадания), то мы должны были бы иметь то же самое за время R1C.
Разность отсчётов, конечно, будет обусловлена тем обстоятельством, что
во втором случае скорость спадания постоянна, тогда как в первом случае
начинаются отклонения с той же скоростью, как если бы R1=(, но потом
постепенно замедляются и становятся очень медленными по сравнению со
вторым случаем.
Поэтому для измерения слабых токов значительно более благоприятные
результаты можно получить, применяя метод спадания (утечки). Большие же
точки удобнее измерять методом постоянных отклонений. Метод спадания
можно применять и для измерения относительно сильных токов, но в этом
случае для удлинения времени спадания следует подключить емкость
соответствующей величины.
Пределы чувствительности приборов различного типа
Пределы чувствительности к зарядам электроскопа и электрометра: для
первого максимальная чувствительность к заряду выражается формулой:
(SQ)MAX = 1/2*(C*K)-1/2= 1/(2*V0*b) , и для последнего:
(Sq)MAX = 1/2*(2*C*K)-1/2 =1/(4*V0*b)
Ёмкость электроскопа без подводящих проводников зависит от особенностей
его конструкции. Для электроскопа Вульфа или электроскопов крутильного
типа она обычно бывает между 0.4 и 1 см. Ёмкость же электрометра с
добавленной к нему внешней ёмкостью бывает порядка 20 – 100 см.
Восстанавливающий момент K подвеса можно в каждом приборе уменьшать до
тех пор, пока замедление движения не сделает прибор утомительным в
работе или, как в случае большинства электроскопов, пока потенциал не
сделается слишком малым, чтобы убрать все ионы. Так как камеру
электрометра можно откачать, то легко подобрать такое давление, чтобы
движение бисквита (стрелки на электрометре) сделалось затухающим
критически.
Если камера электроскопа не откачана, то рабочий период может сделаться
чрезвычайно большим, когда будет достигнута максимальная
чувствительность. Делая бисквитики, по возможности малыми и лёгкими,
можно достичь очень многого в этом направлении, как это сделано в
электрометрах Линдемана, Перукка или струнных электрометрах.
Предельная чувствительность и метод спадания (утечки)
Скорость спадания электрометра в течение одного отсчёта часто является
ограничивающим фактором чувствительности. Она иногда делается слишком
малой и утомительной для отсчётов прежде, чем будет достигнута
максимальная чувствительность. Одной из главных причин, заставляющих не
пользоваться методом спадания, является постепенное расхождение между
положениями электрической и механической нулевых точек. Отклонение,
обусловленное расхождением нулей, может быть во много раз больше
действительного измеряемого отклонения. Спадание, обусловленное
побочными причинами, может получиться за счёт:
Флуктуаций напряжения в батарее
Неупругими изменениями натяжения в подвесе
Если бы скорость утечки была постоянной, то можно было бы сделать
некоторые упрощающие допущения, однако существует целый ряд факторов,
которые самым различным образом зависят от напряжения, температуры,
влажности и т. п., и потому весьма трудно или вовсе не возможно
устранить полностью или учесть эти колебания скорости утечки. Это
особенно справедливо по отношению к электрометрам с электронными
лампами, даже если применяются схемы с компенсацией.
ТЕОРИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
Сверхпроводимость – физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ
(сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической
температуры Tс, и состоящее в обращении в нуль электрического
сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема
образца (эффект Мейснера). Явление открыто в 1911 г. Х.
Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления Hg, он
обнаружил, что при температуре ниже 4,22К Hg практически теряет
сопротивление.
Далее оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ
обладает сопротивлением, по крайней мере, в 10-12 раз меньше, чем при
комнатной температуре. Эксперименты показывают, что если создать ток в
замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает
циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках
сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева
тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение
прохождения тока через ряд различных проводников показало, что
сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю.
Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления
Холла. В то время как в обычных проводниках под влиянием магнитного
поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление
отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.
Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:
повышение температуры;
действие достаточно сильного магнитного поля;
достаточно большая плотность тока в образце;
С повышением температуры до некоторой Tс почти внезапно появляется
заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к
проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец (наиболее
крутой переход наблюдается в монокристаллах).
Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить
путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс.
Минимальное поле Bс, в котором разрушается сверхпроводимость, называется
критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от
температуры описывается эмпирической формулой.
Вс = B0 [1 – (T/Tс)2],
где В0 – критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю
температуры.
Для некоторых веществ, по-видимому, имеет место зависимость от Т1 . При
действии магнитного поля на сверхпроводник наблюдается особого вида
гистерезис, а именно если, повышая магнитное поле уничтожить
сверхпроводимость при H=Ht (H – сила поля, Ht – повышенная сила поля:
Ht = a*(Tс2 – T2)) , то с понижением интенсивности поля
сверхпроводимость появится вновь при поле Ht(90 К) необходимо искать другой механизм корреляции электронов. Один
из возможных подходов описан американским физиком Литтлом. Он
предположил, что в органических веществах особого строения возможна
сверхпроводимость при комнатных температурах. Основная идея заключалась
в том, чтобы получить своеобразную полимерную нитку с регулярно
расположенными электронными фрагментами. Корреляция электронов,
движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих
фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на
несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных
фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более
высокой, чем при фоновом механизме.
В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости,
разработанной академиком В.Л.Гинзбургом, лежит так называемый экситонный
механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной
системе существуют особые волны – экситоны. Подобно фононам они являются
квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом
электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника
представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или
полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле,
отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком
избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию
электронной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает
весьма высокие значения критической температуры (Тc=200 К).
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ.
Идея высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в органических
соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь спустя 14 лет
появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла,
вызвавший критические отзывы, отрицающие возможность ВТСП в
неметаллических системах. Таким образом, хотя идея ВТСП родилась в
работе Ф. Лондона в 1950г., годом рождения проблемы следует считать
время появления первых, пока, правда, малочисленных потоков информации
по ВТСП – 1964г.. Если рассмотреть эволюцию температуры сверхпроводящего
перехода,, то станет ясно, что рост температуры сверхпроводящего
перехода приводил к возможности использования хладагентов с все более
высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот). Хотя
до азотных температур перехода, открытых недавно в металлокерамиках,
практически использовался для охлаждения жидкий гелий, однако скачки в
росте температуры перехода дают право положить их в основу периодизации
ВТСП о гелиевом, водородном, неоновом и, наконец, азотном периодах ВТСП.
Так Nb3Sn сменился Nb – Al – Ge, затем наибольшая температура была
обнаружена d 1973-81гг. у Nb3Ge (23,9 K), которая оставалась рекордной
вплоть до сверхпроводимости металлокерамиками. La – Sr – Cu – O при 30 К
в 86г., вырастая до 100 К на материале I – Ba – Cu – O.
Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры от
характеристики вещества. С открытием в 86 нового класса сверхпроводящих
материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами, во
всем мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с
целью определения возможности их применения в различных областях науки и
техники. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение
рабочей температуры до азотной позволит существенно упростить и
удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Для
успешного применения ВТСП в сильноточных устройствах (соленоидах,
накопителях энергии, электромагнитах, транспорте с магнитным подвесом)
необходимо решить ряд вопросов. Одной из важнейших проблем при создании
сильноточных устройств с использованием ВТСП является проблема
обеспечения устойчивой работы обмоток с током. Проблема стабилизации
ВТСП включает в себя несколько аспектов. Внутренним свойством
сверхпроводимости является скачкообразный характер проникновения в них
магнитного поля. Этот процесс сопровождается выделением части запасенной
энергии магнитного поля при его распределении. Поэтому, наиболее важное
направление стабилизации сверхпроводников – их стабилизация против
сигналов потока. Кроме того, проводники, внутренне стабилизированные
против сигналов потока, при работе подвергаются действию различного рода
возмущений как механического, так и электромагнитного характера, тоже
сопровождающиеся выделением энергии.
Основные характеристики композитных ВТСП-проводников
Традиционные сверхпроводники второго рода (сплавы Nb – Ti, соединение
Nb3Sn) применяются в сверхпроводящих магнитных системах в виде
композитов с матрицей из нормального метала с высокими тепло- и
электропроводностью. Наличие пластичной матрицы (чаще всего медной)
значительно облегчает изготовление тонких длинномерных проводников
волочением или прокаткой, то есть сверхпроводящие материалы отличаются
хрупкостью. Стабильность сверхпроводимости – состояние относительно
скачков магнитного потока – достигается путем изготовления проводников с
весьма малым диаметром отдельных сверхпроводящих или же лент с малой
толщиной сверхпроводящего слоя. По этим же причинам ВТСП-проводники в
большинстве случаев изготавливаются в форме композитов, имеющих малую
толщину или диаметр. Дополнительная причина применения нормального
металла связана с необходимостью защиты ВТСП-материала от влажности и
других факторов окружающей Среды, вызывающих деградацию оксидного
сверхпроводника. Наилучшие результаты получены при использовании
серебряной матрицы или обмотки сверхпроводника: кроме того, что серебро
лишь в минимальной степени реагирует с ВТСП или его исходной продукции
даже при высокой температуре синтеза, серебро отличается высокой
диффузионной проницательностью для кислорода, что необходимо при синтезе
и обжиге ВТСП.
В настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием
их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе
ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для
детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов.
Основными достоинствами ВТСП являются отсутствие потерь на постоянном и
сравнительно небольшие потери на переменном токах, возможность
экранирования магнитных и электромагнитных полей, возможность передачи
сигналов с крайне малыми искажениями.
Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП
материалов, является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах
поверхностное сопротивление увеличивается пропорционально квадратному
корню из частоты, в то время как в ВТСП – пропорционально ее квадрату.
Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного
сопротивления (на постоянном токе) у ВТСП на несколько порядков ниже,
чем у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по
сравнению с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц.
Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился
в 50-х гг., когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими
критическими параметрами, как по значению плотности тока, так и по
величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления
сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение.
Применение сверхпроводников потребовало решения ряда новых задач, в
частности, интенсивного развития материаловедения в области низких
температур. При это исследовались не только сверхпроводники собственно,
но и конструкции и изоляционные материалы.
Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в
электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово.
Технологические процессы изготовления исключительно тонких
ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня
развития. При создании многожильных проводников на основе ниобия олова
широкое применение находит так называемая бронзовая технология.
Развитие сверхпроводниковой техники также связано с созданием ожижителей
и рефрижераторов все большей хладопроизводительности на уровне
температур жидкого гелия.
Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при
создании крупных электромагнитных систем. В 80-х гг. в СССР был
осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со
сверхпроводящими катушками тероидального магнитного поля.
Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных
камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких
катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование
исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает
необходимость точного соблюдения заданных размеров.
В последние годы имеет место все более широкое использование явления
сверхпроводимости для турбогенераторов, электродвигателей, униполярных
машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей,
коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов,
транспортных систем и др.. Следует также отметить важное направление в
работах по сверхпроводимости – создание измерительных устройств для
измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.
На настоящий момент имеются два главных направления в области применения
сверхпроводимости. Это, прежде всего магнитные системы различного
назначения и затем – электрические машины (прежде всего
турбогенераторы).
Применение сверхпроводимости в турбогенераторах большой мощности
перспективно потому, что именно здесь удается достигнуть того, чего при
других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить
массу и габариты машины при сохранении мощности. В обычных машинах это
уменьшение всегда связано с увеличением потерь и трудностями обеспечения
высокого КПД. Здесь этот вопрос решается радикально: массу
турбогенераторов можно увеличить в 2-2,5 раза, в тоже время в связи с
отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и
приблизиться для крупных турбогенераторов к КПД порядка 99,3%. Повышение
КПД турбогенераторов на 0.1% компенсирует затраты, связанные с созданием
генераторов на 30%. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет
снижения потерь, очень быстро оправдывает те затраты, которые
вкладываются в создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически
это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в
энергетику с большими машинами, нужно пройти очень сложный путь создания
машин все больших мощностей. При этом нужно решать и более трудную
проблему – обеспечение высокой надежности. Очень важным моментом в этой
связи, является отработка токовводов при создании машин высокой
мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300К, они
имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой
один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов
сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально
опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке
токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность
их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам
токовводов.
табл.1 “Сферы применения сверхпроводимости”
Применение Примечания
крупномасштабное
а) экранирование
Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он
экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых
устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве.
сильноточные устройства
а) магниты
– научно-исследовательское оборудование
– магнитная левитация
НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках
термоядерного синтеза.
Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке.
Прототип в Японии использует НТСП.
другие статические применения
а) передача энергии
б) аккумулирование
в) вращающиеся электрические машины
г) вычислительные устройства
Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность.
Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока
Комбинация полупроводниковых и
сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании
аппаратуры.
КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР
Простейший квантовый магнитометр — СКВИД представляет собой
сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими туннельными контактами.
Схематически такое устройство показано на рисунке 62, Это полный аналог
столь популярного в оптике опыта с интерференцией от двух щелей, только
здесь интерферируют не световые волны, в два джозефсоновских тока /[и
/з, каждый со своей амплитудой и фазой. Концы сверхпроводников / и 2
присоединены к прибору, который измеряет ток, равный сумме (с учетом
фаз!) токов /| и /2. Таким образом, в СКВИДе волна сверхпроводящих
электронов расщепляется на две, каждая из которых проходит свой
туннельный контакт, а затем обе половинки сводятся вместе.
СКВИДы бывают двух типов: СКВИД, работающий на постоянном токе, и СКВИД,
работающий на переменном высокочастотном токе. СКВИД на переменном токе
устроен несколько проще, он содержит один контакт, но описание его
работы сложнее, и поэтому мы здесь рассмотрим работу магнитометра на
постоянном токе.
Рис.1
Поскольку оба туннельных контакта одинаковы и расположены симметрично,
то в отсутствие поля созданный предварительно постоянный ток разделится
между ними поровну, фазы его одинаковы и никакой интерференции не
возникает. Но если теперь включить магнитное поле, то оно будет наводить
в контуре циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток, направленный,
например, по часовой стрелке, в контакте 1 будет вычитаться из
постоянного внешнего тока, а в контакте 2 складываться. Теперь обе ветви
будут иметь разные токи, туннельные контакты разбалансируются, между
ними возникнет разность фаз. Волны сверхпроводящих электронов, пройдя
через контакты и вновь соединившись, будут интерферировать,
интерференция проявится как зависимость критического тока СКВИДА Ik от
внешнего магнитного поля. Эта зависимость показана на рисунке 2
(магнитный поток измеряется в естественных единицах – квантах потока Ф0
).
Рис.2
Таким образом, критический ток контура с двумя джозефсоновскими
контактами осциллирует в зависимости от внешнего поля, достигая
максимума, когда пронизывающий контур магнитный поток равен целому числу
квантов. Такой ступенчатый характер зависимости позволяет «чувствовать»
отдельные флюксоиды — кванты потока, хотя величина их очень мала
(порядка Ю”15 Вб). Нетрудно понять почему. Магнитный поток внутри
контура меняется, хотя и на малую величину: ЛФ==Фо, но скачком, т. е. за
очень короткий промежуток времени \1. Так что скорость изменения
магнитного потока АФ/А/ при таком скачкообразном характере изменения
потока оказывается очень большой. Ее можно измерить, например, по
величине ЭДС индукции, наводимой в специальной измерительной катушке
прибора. В этом и состоит принцип работы квантового магнитометра.
Сегодня сверхчувствительные магнитометры, измеряющие индукции магнитных
полей с точностью до 10~15 Тл,—это уже промышленная продукция, находящая
широкое применение в измерительной технике. С их помощью удалось
осуществить ряд тонких экспериментов, исследовать новые физические
явления. Вот некоторые примеры.
Сверхпроводящие магнитометры оказались очень удобными для измерений
магнитной восприимчивости различных веществ—отношения их намагниченности
к приложенному полю. Благодаря своей огромной чувствительности они
позволяют измерить очень малые восприимчивости и восприимчивости очень
малых количеств вещества. Это последнее обстоятельство особенно важно
для биохимических исследований. Градиометры на СКВИДах уже позволили
измерить предельно малую восприимчивость белков. Применялись они также
для измерения восприимчивости различных геологических пород и даже для
измерения магнитного момента образцов лунного грунта.
Физики, изучающие микромир, надеются, что квантовые магнитометры помогут
им в поисках кварков и гравитационных волн. А вот геофизикам с помощью
СКВИДов удалось зарегистрировать чрезвычайно слабые вариации магнитного
поля Земли при различных катаклизмах (извержениях, землетрясениях).
Установлено, например, что за несколько дней до землетрясения в области
линии сдвига земной коры возникают возмущения магнитного поля. Такие
данные, помимо их научного значения, могут оказаться ценным средством
прогнозирования стихийных явлений.
Самое лучшее, что создает электроника, она с готовностью отдает медицине
для сохранения жизни и здоровья человека. Стоило СКВИДам появиться на
свет, как сразу же им и здесь нашлось применение. С их помощью удалось
получить идеальную кардиограмму, но не электрическую, а магнитную,
отобразив с невиданной точностью мельчайшие импульсы, сопровождающие
работу сердца. Ведь те же самые токи, которые измеряются при снятии
обычной электрокардиограммы (или электроэнцефалограммы), создают также
магнитное поле. Токи эти очень слабы, и соответственно магнитные поля
имеют порядок миллиардных и менее долей тесла. Понятно, что подобные
измерения могут проводиться только в специально экранированных от
посторонних магнитных полей помещениях. Это, конечно, усложняет их
применение, но все искупается огромной чувствительностью квантовых
магнитометров; с их помощью обнаруживаются такие явления, которые не
удавалось обнаружить электрическими методами исследования. Очень ценными
для медиков оказались, например, магнитографические исследования тонких
физиологических процессов. Были зарегистрированы магнитограммы работы
мышц, желудка, глаза при различных освещенностях и др. Недалек тот день,
когда магнитограммы, снятые с помощью СКВИДов, принципиально изменят
существующие возможности для диагностики сердечных заболеваний.
В заключение заметим, что основные системы со СКВИДами еще полностью не
изучены и их еще следует тщательно исследовать и изучать. Но уже сейчас
устройства, основанные на применении особенностей контактов
слабосвязанных сверхпроводников, следует рассматривать как технику,
потенциально пригодную для решения любых приборных проблем, требующих
предельно высоких параметров чувствительности, точности и
быстродействия.
Литература
“Сверхпроводимость”; Павлов Ю.М, ШугаевВ.А.
“Сверхпроводимость в технике”; Труды второй всесоюзной конференции по
техническому использованию сверхпроводимости.
“Введение в сверхпроводимость”; Зайцев, Орлов.
“Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996
“Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994.
“Физическая энциклопедия” т.3
Советский Энциклопедический Словарь
Х.-И. Кунце “Методы физических измерений”; Москва “Мир”1989
Д. Стронг “Техника физического эксперимента”; Лениздат 1943
М.Г. Мнеян “Сверхпроводники в современном мире”; изд. “Просвещение”
1991
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
