Властивості технічних матеріалів за низьких температур

Сентябрь 15, 2022

Главная
Физика
Властивості технічних матеріалів за низьких температур

Содержание

2. Властивості технічних матеріалів за низьких температур Механічні властивості Теплофізичні властивості Електромагнітні властивості Надпровідність
3. Загальна інформація У кріогенній області властивості більшості матеріалів значно змінюються. Причина – структурні перебудови у матеріалах
4. Механічні властивості Температурні залежності для більшості механічних властивостей можна екстраполювати і в область кріогенних температур
5. Механічні властивості Границя плинності (напруження, що зумовлює залишкову деформацію понад 0,2 %) зі зниженням температури зростає.
6. Механічні властивості Границя міцності на розрив і модуль пружності (модуль Юнга) зі зниженням температури зростають, причому
7. Механічні властивості Границя стомлюваності (напруження при якому після змінного за на-прямком згину протягом заданої кількості циклів
8. Механічні властивості Пластичність (ударна в’язкість). Пластичним вважається матеріал, який перед руйнуванням може подовжуватися не менше ніж
9. Механічні властивості Для вуглецевої сталі при 110 К відбувається пластично-крихкий перехід (об’ємноцентрована кристалічна ґратка переходить у
10. Теплофізичні властивості Питома теплоємність речовини — це кількість теплоти, що потрібно підвести до 1 кг речовини,
11. Теплофізичні властивості Питома теплоємність речовини Фононна Електронна Магнітна
12. Теплофізичні властивості Фононна теплоємність – теплоємність кристалічної ґратки матеріалу. Петер Дебай, Нідерланди (1884 - 1966). Теорія
13. Теплофізичні властивості — функція Дебая; R – універсальна газова стала; θD — температура Дебая (межа, нижче
14. Теплофізичні властивості де h = 6,62·10-34 – стала Планка, k = 1,38·10-23 – стала Больцмана; νm
15. Теплофізичні властивості За низьких температур (T функція Дебая fD(0)=const = 0,8π4, тоді
16. Теплофізичні властивості Електронна теплоємність металу спричинена наявністю вільних електронів. У кріогенній області внесок електронної теплоємності у
17. Теплофізичні властивості Температура Дебая θD та коефіцієнт електронної теплоємності γ для деяких речовин
18. Теплофізичні властивості Магнітна теплоємність матеріалу спричинена взаємодією магнітних диполів. Важлива для магнітних кріорефрижераторів За низьких температур
19. Теплофізичні властивості Характерна температура, за якої εм максимальна: θs=εм /k. Магнітна теплоємність речовини: см=0,25R(θs /T)2.
20. Теплофізичні властивості Теплопровідність речовини — це її здатність проводити теплоту. Є три основних механізми теплопровідності: електронна
21. Теплофізичні властивості Електронна теплопровідність — передавання енергії за рахунок руху вільних електронів — основний механізм теплопровідності
22. Теплофізичні властивості Фононна теплопровідність — передавання енергії коливань кристалічної ґратки (у кристалічних твердих тілах) або молекул
23. Теплофізичні властивості Теплопровідність речовини за рахунок руху молекул — основний механізм теплопровідності у газах (у багатоатомних
24. Теплофізичні властивості Числове значення теплопровідності визначається коефіцієнтом теплопровідності, що вимірюється у ватах на метр-кельвін (Вт/(м·К)). λ
25. k = cp / cv — показник адіабати, ρ — густина — середня швидкість руху молекул;
26. Теплофізичні властивості Для газів ρlср ≈ const, тому зі зниженням температури за рахунок зменшення теплопровідність газів
27. Теплофізичні властивості Теплопровідність зріджених водню та гелію зі зниженням температури зменшується, а решти кріорідин — зростає.
28. Теплофізичні властивості Для твердих тіл за рахунок меншої кількості ступенів вільності руху молекул:
29. Теплофізичні властивості Основну роль у теплопровідності чистих металів за кімнатних температур відіграє рух вільних електронів, що
30. Електромагнітні властивості Електропровідність – величина, обернена до електричного опору: Електричний опір σ = 1/R
31. Електромагнітні властивості Причина електричного опору – взаємодія електронів з іонами кристалічної ґратки провідника
32. Електромагнітні властивості Зі зниженням температури (не нижче температури Дебая θD) уповільнюється коливальний рух іонів, отже менш
33. Електромагнітні властивості Для T
34. Електромагнітні властивості Тому для T R = R0 + RT R0 – залишковий опір, складова, що
35. Електромагнітні властивості Формула Блоха (для T Формула Грюнейзена:
36. Електромагнітні властивості Відношення електричного опору при 8К до електричного опору при 273К: Мідь – 0,0040 Срібло
37. Надпровідність У 1911 р. Хайк К. Онесс, досліджуючи ртуть, відкрив явище надпровідності – стрибкоподібної втра-ти провідником
38. Надпровідність Надпровідність — макроскопічний квантово-механічний стан, у якому: зменшується електричний опір до 10-25 Ом·м з’являються досконалі
39. Теорія БКШ Теоретичне пояснення надпровідності у 1956 році дали Дж. Бардін, Л. Купер і Дж. Шріффер
40. Теорія БКШ Кристалічна ґратка провідника заповнена вільними електронами, що створюють електронну хмару (електронний газ). Взаємодія електронів
41. Теорія БКШ У надпровіднику електрони об’єднуються у пари (куперівські пари). Перший електрон зближує іони ґратки, віддає
42. Теорія БКШ У 1 см3 надпровідника міститься 1020 куперівських пар, що утворюють бозонну рідину — макроскопічно
43. Особливості надпровідності Надпровідність залежить від структури кристалу, отже є не властивістю атомів, а властивістю макроскопічних структур.
44. Особливості надпровідності Срібло й золото не є надпровідниками, хоча є гарними провідниками, і навпаки – метали
45. Особливості надпровідності Сплав кількох металів, кожен з яких не є надпровідником, може бути надпровідником. Берилій стає
46. Ефект Мейснера Х. Камерлінг-Онесс з’ясував, що магнітне поле виштовхується з об’єму надпровідника – він стає діамагнетиком.
47. Ефект Мейснера На ефекті Мейснера базується явище магнітної левітації. На магніт, поміщений над надпровідником, діють сили
48. Критичне поле Якщо підвищувати напруженість магнітного поля, то надпровідний стан руйнується. Магнітне поле з напруженістю Нк,
49. Правило Сільсбі Електричний струм певної сили під час проходження через надпровідник створить критичне поле. Отже, для
50. Глибина проникнення Д. Шейнберг експериментально довів, що ефект непроникності магнітного потоку всередину надпровідника пов’язаний з появою
51. Надпровідники 1 та 2 роду Всі зазначені властивості характерні для чистих матеріалів – надпровідників 1 роду.
52. Надпровідники 2 роду Надпровідник складної будови (з домішками) в магнітному полі пронизаний великою кількістю мікроскопічних магнітних
53. Надпровідники 2 роду Надпровідні шари витісняють магнітне поле у шари з нормальною провідністю, тому матеріал стає
54. Надпровідники 2 роду О.О.Абрикосов показав, що насправді у речовині немає виділених шарів — у ній утво-рюється
55. Надпровідники 2 роду У надпровіднику 1 роду магнітне поле витісняється зі зразка – ефект Мейснера. Якщо
56. Надпровідники 2 роду З погляду практичного використання надпровідни-ків 2-го роду важливою є їх здатність зберігати надпро-відність
57. Надпровідники 2 роду Нині багато уваги приділяється вивченню властивостей тонких надпровідних плівок. Зменшення товщини надпровідних зразків
58. Критичні температури та магнітні поля
59. Високотемпературна надпровідність Експериментуючи з металокерамічним надпровідником 2-го роду La – Ba – Cu – O дослідники
60. Високотемпературна надпровідність У 1988 у США розроблені металокерамічні сполуки на базі ітрію, барію, міді та кисню
61. Високотемпературна надпровідність Напрямки досліджень: Диборид магнію (MgB2) – дешевий у виготовленні, Т0=39 К. Кімнатна надпровідність –
62. Зміна властивостей матеріалів у надпровідному стані різко зростає теплоємність різко падає теплопровідність (крім деяких сплавів Pb
63. Ефекти Джозефсона стаціонарний – через тунельний надпровідний контакт (два надпровідника, розділені шаром діелектрика) може проходити надпровідний
64. Ефекти Джозефсона Схеми дослідів, що пояснюють ефекти Джозефсона: а – падіння напруги на надпровід-нику дорівнює нулю;
65. Ефекти Джозефсона Ефекти Джозефсона використовують у надчутливих радіотелескопах, вимірювальних пристроях та логічних елементах
66. Використання надпровідності надпотужні магніти високочутлива вимірювальна аппаратура надпровідні потужні електродвигуни та генератори надпотужні струмопідведення
67. Використання надпровідності Явище магнітної левітації (система MAGLEV) зараз використовується для створення опор без тертя, зокрема для
69. Скачать презентацию

Слайд 2

Властивості технічних матеріалів за низьких температур
Механічні властивості
Теплофізичні властивості
Електромагнітні властивості
Надпровідність

Слайд 3

Загальна інформація
У кріогенній області властивості більшості матеріалів значно змінюються.
Причина –

структурні перебудови у матеріалах при кріогенних температурах
Наслідки – особливості використання різних матеріалів для конструювання обладнання, можливості корисного використання нових особливих властивостей

Слайд 4

Механічні властивості
Температурні залежності для більшості механічних властивостей можна екстраполювати і в

область кріогенних температур

Слайд 5

Механічні властивості
Границя плинності (напруження, що зумовлює залишкову деформацію понад 0,2 %)

зі зниженням температури зростає.

Слайд 6

Механічні властивості
Границя міцності на розрив і модуль пружності (модуль Юнга) зі

зниженням температури зростають, причому відомі графічні та розрахункові залежності можна екстраполювати у область кріогенних температур.

Слайд 7

Механічні властивості
Границя стомлюваності (напруження при якому після змінного за на-прямком згину

протягом заданої кількості циклів матеріал руйнується і з’являються мікротріщини на поверхні) зростає в усіх металів крім алюмінію.

Слайд 8

Механічні властивості
Пластичність (ударна в’язкість). Пластичним вважається матеріал, який перед руйнуванням може

подовжуватися не менше ніж на 5 %, наприклад гума.
Зниження температури значно знижує пластичність переважної більшості матеріалів — вони стають крихкими.

Слайд 9

Механічні властивості
Для вуглецевої сталі при 110 К відбувається пластично-крихкий перехід (об’ємноцентрована кристалічна

ґратка переходить у гранецентровану), внаслідок чого різко падає ударна в’язкість і сталь стає крихкою. Тому для кріогенних температур вуглецева сталь практично не застосовується. Подібне явище спостерігається і для пластмас та гум (крім тефлону)

Слайд 10

Теплофізичні властивості
Питома теплоємність речовини — це кількість теплоти, що потрібно

підвести до 1 кг речовини, щоб підвищити її температуру на 1 К.
Якщо у процесі нагрівання сталим залишається тиск, то говорять про ізобарну теплоємність cp, а якщо об’єм — то про ізохорну cv.

Слайд 11

Теплофізичні властивості
Питома теплоємність речовини
Фононна
Електронна
Магнітна

Слайд 12

Теплофізичні властивості
Фононна теплоємність – теплоємність кристалічної ґратки матеріалу.
Петер Дебай, Нідерланди

(1884 - 1966).
Теорія теплоємності твердого тіла при низьких температурах.
Теорія теплопровідності діелектричних кристалів, поняття температури Дебая — специфічної для речовини сталої, що характеризує багато її параметрів.
Роботи з теорії твердого тіла, теорії провідності електролітів тощо.

Слайд 13

Теплофізичні властивості
— функція Дебая; R – універсальна
газова стала;

θD — температура Дебая
(межа, нижче якої спостерігається вплив квантових ефектів у теплоємності).

Із теорії Дебая для кристалічного одноатомного тіла теплоємність становить

Слайд 14

Теплофізичні властивості
де h = 6,62·10-34 – стала Планка,
k =

1,38·10-23 – стала Больцмана;
νm – максимальна частота коливань кристалічної ґратки

Температура Дебая:

При температурах нижчих за θD по черзі згасають моди коливань кристалічної ґратки

Слайд 15

Теплофізичні властивості
За низьких температур (T < (θD/12))
функція Дебая fD(0)=const

= 0,8π4, тоді

Слайд 16

Теплофізичні властивості
Електронна теплоємність металу спричинена наявністю вільних електронів.
У кріогенній

області внесок електронної теплоємності у загальну значний.
Електронна теплоємність міді при 1 К у 4 рази перевищує фононну

сv e = γТ

γ – коефіцієнт електронної теплоємності

Слайд 17

Теплофізичні властивості
Температура Дебая θD та коефіцієнт електронної теплоємності γ для

деяких речовин

Слайд 18

Теплофізичні властивості
Магнітна теплоємність матеріалу спричинена взаємодією магнітних диполів. Важлива для

магнітних кріорефрижераторів
За низьких температур енергія магнітної взаємодії εм має такий самий порядок як і теплова енергія kT

Слайд 19

Теплофізичні властивості
Характерна температура, за якої εм максимальна:
θs=εм /k.
Магнітна теплоємність

речовини:
см=0,25R(θs /T)2.

Слайд 20

Теплофізичні властивості
Теплопровідність речовини — це її здатність проводити теплоту. Є

три основних механізми теплопровідності:
електронна
фононна
рух молекул

Слайд 21

Теплофізичні властивості
Електронна теплопровідність — передавання енергії за рахунок руху вільних

електронів — основний механізм теплопровідності у металах-провідниках

Слайд 22

Теплофізичні властивості
Фононна теплопровідність — передавання енергії коливань кристалічної ґратки (у

кристалічних твердих тілах) або молекул (у рідинах та аморфних твердих тілах)

“Колиска Ньютона” – пристрій, що ілюструє процес передавання енергії коливань та її збереження

Слайд 23

Теплофізичні властивості
Теплопровідність речовини за рахунок руху молекул — основний механізм

теплопровідності у газах (у багатоатомних газах до нього додається передавання енергії обертання молекул).

Слайд 24

Теплофізичні властивості
Числове значення теплопровідності визначається коефіцієнтом теплопровідності, що вимірюється у

ватах на метр-кельвін (Вт/(м·К)).

Слайд 25

k = cp / cv — показник адіабати,
ρ — густина
—

середня швидкість руху молекул;
lср — середня довжина вільного пробігу молекул.

Теплофізичні властивості

З молекулярно-кінетичної теорії для газів:

Слайд 26

Теплофізичні властивості
Для газів ρlср ≈ const, тому зі зниженням температури

за рахунок зменшення теплопровідність газів зменшується.

Слайд 27

Теплофізичні властивості
Теплопровідність зріджених водню та гелію зі зниженням температури зменшується,

а решти кріорідин — зростає.

Слайд 28

Теплофізичні властивості
Для твердих тіл за рахунок меншої кількості ступенів вільності

руху молекул:

Слайд 29

Теплофізичні властивості
Основну роль у теплопровідності чистих металів за кімнатних температур

відіграє рух вільних електронів, що не залежить від температури
За температур близько 77 К стає відчутним внесок фононної теплопровідності, тому сумарна теплопровідність зростає, доки довжина вільного пробігу електронів не стане порівнянною з розмірами зразка матеріалу
За подальшого зниження температури теплопровідність чистих металів знижується.

Слайд 30

Електромагнітні властивості
Електропровідність – величина, обернена до електричного опору:
Електричний опір
σ = 1/R

Слайд 31

Електромагнітні властивості
Причина електричного опору – взаємодія електронів з іонами кристалічної ґратки

провідника

Слайд 32

Електромагнітні властивості
Зі зниженням температури (не нижче температури Дебая θD) уповільнюється коливальний

рух іонів, отже менш імовірна взаємодія електронів з ними і опір знижується пропорційно до температури:

Для T > θD R~T

Слайд 33

Електромагнітні властивості
Для T < θD на опір відчутно впливають дефекти кристалічної

ґратки: навіть якщо іони не рухатимуться (Т=0), електрони взаємодіятимуть з ними, втрачаючи енергію

Слайд 34

Електромагнітні властивості
Тому для T < θD електричний опір поділяють на дві

складові:

R = R0 + RT

R0 – залишковий опір, складова, що не залежить від температури, стала для матеріалу
RТ – складова, що залежить від температури

Слайд 35

Електромагнітні властивості
Формула Блоха (для T<(θD/12)) :
Формула Грюнейзена:

Слайд 36

Електромагнітні властивості
Відношення електричного опору при 8К до електричного опору при 273К:
Мідь

– 0,0040
Срібло – 0,0066
Залізо – 0,0084
Алюміній – 0,0350

Слайд 37

Надпровідність
У 1911 р. Хайк К. Онесс, досліджуючи ртуть, відкрив явище надпровідності

– стрибкоподібної втра-ти провідником елек-тричного опору при температурі Т0 (темпе-ратура переходу у нульовому полі)

Слайд 38

Надпровідність
Надпровідність — макроскопічний квантово-механічний стан, у якому:
зменшується електричний опір до

10-25 Ом·м
з’являються досконалі діамагнетичні властивості (виштовхується магнітне поле з об’єму матеріалу)

Слайд 39

Теорія БКШ
Теоретичне пояснення надпровідності у 1956 році дали
Дж. Бардін, Л.

Купер і Дж. Шріффер – теорія БКШ

Слайд 40

Теорія БКШ
Кристалічна ґратка провідника заповнена вільними електронами, що створюють електронну хмару

(електронний газ). Взаємодія електронів з іонами ґратки та між собою спричинює втрати енергії (опір)

Слайд 41

Теорія БКШ
У надпровіднику електрони об’єднуються у пари (куперівські пари). Перший електрон

зближує іони ґратки, віддає їм частину енергії, а другий електрон втягується у область підвищеного позитивного заряду, відбираючи цю енергію назад. Сумарний спін куперівської пари дорівнює нулю – утворю-ються бозони.

Слайд 42

Теорія БКШ
У 1 см3 надпровідника міститься 1020 куперівських пар, що утворюють

бозонну рідину — макроскопічно впорядковану структуру, що поводиться як одна частинка і може проходити провідником без опору, а за рахунок заряду електронів створює електричний струм. При підвищенні температури куперівські пари руйнуються

Слайд 43

Особливості надпровідності
Надпровідність залежить від структури кристалу, отже є не властивістю атомів,

а властивістю макроскопічних структур.

Слайд 44

Особливості надпровідності
Срібло й золото не є надпровідниками, хоча є гарними провідниками,

і навпаки – метали з малою провідністю стають надпровідниками.
Сіре олово є напівпровідником, а його модифікація — біле олово — переходить у надпровідний стан.

Au
Ag
Sn

Слайд 45

Особливості надпровідності
Сплав кількох металів, кожен з яких не є надпровідником, може

бути надпровідником.
Берилій стає надпровідником лише у вигляді тонкої плівки
Деякі речовини стають надпровідниками лише за тиску близько 15 ГПа).

Слайд 46

Ефект Мейснера
Х. Камерлінг-Онесс з’ясував, що магнітне поле виштовхується з об’єму надпровідника

– він стає діамагнетиком. Механізм виштовхування пояснив німецький фізик В.Мейснер – у надпровіднику, що вміщений у магнітне поле, виникають колові струми. Ці струми створюють власні магнітні поля, що виштовхують зовнішнє поле (ефект Мейснера)

Слайд 47

Ефект Мейснера
На ефекті Мейснера базується явище магнітної левітації.
На магніт, поміщений

над надпровідником, діють сили гравітаційного тяжіння і сили магнітного відштовхування з боку надпровідника. Силові лінії поля магніту не можуть проникнути всередину надпровідника і відбиваються від його поверхні, створючи відштовхувальну силу, що компенсує вагу магніту: магніт піднімається і вільно плаває над шаром надпровідника.

Слайд 48

Критичне поле
Якщо підвищувати напруженість магнітного поля, то надпровідний стан руйнується. Магнітне

поле з напруженістю Нк, що знищує надпровідність, зве-ться критичним полем. Значення Нк залежить від температури — за температури переходу критичне поле дорівнює нулю, а за абсолютного нуля воно максимальне і дорівнює Нк(0).
Значення критичного поля для температури Т, К:

Слайд 49

Правило Сільсбі
Електричний струм певної сили під час проходження через надпровідник створить

критичне поле.
Отже, для надпровідника існує максимальний (критичний) струм, що може через нього проходити
Ік= Нкπd
де Нк — напруженість критичного магнітного поля, Тл; d — діаметр провідника, м

Слайд 50

Глибина проникнення
Д. Шейнберг експериментально довів, що ефект непроникності магнітного потоку всередину надпровідника

пов’язаний з появою в його поверхневому шарі завтовшки 10-8…10-9 м незгасних струмів надпровідності. Створене цими струмами магнітне поле і компенсує дію зовнішнього магнітного поля в товщі зразка. Товщину такого поверхневого шару називають глибиною проникнення магнітного поля в товщу надпровідника.

Слайд 51

Надпровідники 1 та 2 роду
Всі зазначені властивості характерні для чистих матеріалів

– надпровідників 1 роду. Вони переходять у надпровідний стан при певній температурі.
Надпровідники 2 роду – матеріали з домішками.
Вони переходять у надпровідний стан у певному інтервалі температур.

Слайд 52

Надпровідники 2 роду
Надпровідник складної будови (з домішками) в магнітному полі пронизаний

великою кількістю мікроскопічних магнітних трубок, навколо кожної з яких проходить коловий струм. Ці струми (абрикосівські вихори) утворюють ґратку з трикутними вічками.

Слайд 53

Надпровідники 2 роду
Надпровідні шари витісняють магнітне поле у шари з нормальною

провідністю, тому матеріал стає проникним для магнітного поля, маючи нульовий електричний опір.

За певних умов така структура може виявитися стійкою. Її називають надпровідником 2-го роду.

Слайд 54

Надпровідники 2 роду
О.О.Абрикосов показав, що насправді у речовині немає виділених шарів

— у ній утво-рюється ниткоподібна структу-ра магнітного поля, що скла-дається з магнітних каналів з нормальною провідністю. Магнітний потік замкнений всередині цих каналів, у шар надпровідного матеріалу його не випускають колові струми – абрикосівські вихори, що оточують кожну нитку.

Слайд 55

Надпровідники 2 роду
У надпровіднику 1 роду магнітне поле витісняється зі зразка

– ефект Мейснера. Якщо напруженість поля стане більшою за критичну, надпровідник перейде до нормального стану.

До надпровідника 2 роду магнітне поле проникає, починаючи з дуже малих значень напруженості (перше критичне поле), і не руйнує надпровідність аж до дуже великих значень (друге критичне поле)

Слайд 56

Надпровідники 2 роду
З погляду практичного використання надпровідни-ків 2-го роду важливою є

їх здатність зберігати надпро-відність у сильних магніт-них полях і витримувати велику густину струму.

Правило Сільсбі в надпровідниках 2-го роду не діє. У неоднорідних зразках уже досягнуто гу-стини струму до 109 А/м2. При цьому струм про-ходить більш-менш однорідно по всьому перерізу надпровідника, а не лише по поверхні

Слайд 57

Надпровідники 2 роду
Нині багато уваги приділяється вивченню властивостей тонких надпровідних плівок.

Зменшення товщини надпровідних зразків до глибини проникнення магнітного поля в надпровідник принципово змінює його властивості. У плівках завтовшки порядку 10-8 м критичні магнітні поля збільшуються в десятки й сотні разів. Критична густина струму в них може сягати 1011 А/м2.

Слайд 58

Критичні температури та магнітні поля

Слайд 59

Високотемпературна надпровідність
Експериментуючи з металокерамічним надпровідником 2-го роду
La – Ba –

Cu – O
дослідники «IBM Laboratories» (Цюріх) К.Мюллер і Дж. Беднорц у 1986 р. відкрили явище високотемпературної надпровідності (температура переходу для цього матеріалу становила 35 К). Можна охолоджувати рідким воднем (20 К)

Слайд 60

Високотемпературна надпровідність
У 1988 у США розроблені металокерамічні сполуки на базі ітрію,

барію, міді та кисню
Y – Ba – Cu – O Т0 = 92 К
Головна перевага – можна охолоджувати рідким азотом (77 К), що ЗНАЧНО дешевший за рідкий гелій та рідкий водень
Таку надпровідність називають високотемпературною (ВТНП).
Нині розроблено надпровідники на базі металокерамік з критичною температурою 164 К.
Недоліки – крихкість, мала міцність

Слайд 61

Високотемпературна надпровідність
Напрямки досліджень:
Диборид магнію (MgB2) – дешевий у виготовленні, Т0=39 К.
Кімнатна

надпровідність – пошук металокерамічних матеріалів, що були б надпровідними при 260…290 К
Металічний водень (отриманий при тиску 300 ГПа) за теоретичними розрахунками має Т0=242 К (Р = 450 ГПа)

Слайд 62

Зміна властивостей матеріалів у надпровідному стані
різко зростає теплоємність
різко падає теплопровідність

(крім деяких сплавів Pb – Bi), бо надпровідні електрони не беруть участі у перенесенні теплоти
зникають термоелектричні ефекти

Слайд 63

Ефекти Джозефсона
стаціонарний – через тунельний надпровідний контакт (два надпровідника, розділені шаром

діелектрика) може проходити надпровідний струм, критичне значення якого залежить від зовнішнього магнітного поля.
нестаціонарний – якщо струм через тунельний надпровідний контакт перевищує критичне значення (критичний струм переходу), то контакт стає джерелом високочастотного електромагнітного випромінення

Слайд 64

Ефекти Джозефсона
Схеми дослідів, що пояснюють ефекти Джозефсона: а – падіння напруги

на надпровід-нику дорівнює нулю; б - за значної товщини діелектрика, струму немає, вольтметр показує ЕРС батареї; в – за малої товщини діелектрика (~ 10 ангстрем) є струм надпровідності (стаціонарний ефект Джозефсона); г - за наявності струму в ланцюзі і напруги на контакті Джозефсона у ньому виникає електромагнітне випромінення (нестаціонарний ефект Джозефсона).

Слайд 65

Ефекти Джозефсона
Ефекти Джозефсона використовують у надчутливих радіотелескопах, вимірювальних пристроях та логічних

елементах

Слайд 66

Використання надпровідності
надпотужні магніти
високочутлива вимірювальна аппаратура
надпровідні потужні електродвигуни та генератори
надпотужні струмопідведення

Слайд 67

Використання надпровідності
Явище магнітної левітації (система MAGLEV) зараз використовується для створення опор

без тертя, зокрема для високочутли-вих вимірювальних пристроїв, швидкісних поїздів (580 км/год), запущених у Японії, Китаї, Німеччині.

Властивості технічних матеріалів за низьких температур

Содержание

Властивості технічних матеріалів за низьких температур Механічні властивості Теплофізичні властивостіЕлектромагнітні властивостіНадпровідність

Загальна інформаціяУ кріогенній області властивості більшості матеріалів значно змінюються. Причина –

Механічні властивостіТемпературні залежності для більшості механічних властивостей можна екстраполювати і в

Механічні властивостіГраниця плинності (напруження, що зумовлює залишкову деформацію понад 0,2 %)

Механічні властивостіГраниця міцності на розрив і модуль пружності (модуль Юнга) зі

Механічні властивостіГраниця стомлюваності (напруження при якому після змінного за на-прямком згину

Механічні властивостіПластичність (ударна в’язкість). Пластичним вважається матеріал, який перед руйнуванням може

Механічні властивостіДля вуглецевої сталі при 110 К відбувається пластично-крихкий перехід (об’ємноцентрована кристалічна

Теплофізичні властивості Питома теплоємність речовини — це кількість теплоти, що потрібно

Теплофізичні властивості Питома теплоємність речовиниФононнаЕлектроннаМагнітна

Теплофізичні властивості Фононна теплоємність – теплоємність кристалічної ґратки матеріалу.Петер Дебай, Нідерланди

Теплофізичні властивості — функція Дебая; R – універсальна газова стала;

Теплофізичні властивості де h = 6,62·10-34 – стала Планка, k =

Теплофізичні властивості За низьких температур (T < (θD/12)) функція Дебая fD(0)=const

Теплофізичні властивості Електронна теплоємність металу спричинена наявністю вільних електронів. У кріогенній

Теплофізичні властивості Температура Дебая θD та коефіцієнт електронної теплоємності γ для

Теплофізичні властивості Магнітна теплоємність матеріалу спричинена взаємодією магнітних диполів. Важлива для

Теплофізичні властивості Характерна температура, за якої εм максимальна: θs=εм /k.Магнітна теплоємність

Теплофізичні властивості Теплопровідність речовини — це її здатність проводити теплоту. Є

Теплофізичні властивості Електронна теплопровідність — передавання енергії за рахунок руху вільних

Теплофізичні властивості Фононна теплопровідність — передавання енергії коливань кристалічної ґратки (у

Теплофізичні властивості Теплопровідність речовини за рахунок руху молекул — основний механізм

Теплофізичні властивості Числове значення теплопровідності визначається коефіцієнтом теплопровідності, що вимірюється у

k = cp / cv — показник адіабати, ρ — густина—

Теплофізичні властивості Для газів ρlср ≈ const, тому зі зниженням температури

Теплофізичні властивості Теплопровідність зріджених водню та гелію зі зниженням температури зменшується,

Теплофізичні властивості Для твердих тіл за рахунок меншої кількості ступенів вільності

Теплофізичні властивості Основну роль у теплопровідності чистих металів за кімнатних температур

Електромагнітні властивостіЕлектропровідність – величина, обернена до електричного опору:Електричний опірσ = 1/R

Електромагнітні властивостіПричина електричного опору – взаємодія електронів з іонами кристалічної ґратки

Електромагнітні властивостіЗі зниженням температури (не нижче температури Дебая θD) уповільнюється коливальний

Електромагнітні властивостіДля T < θD на опір відчутно впливають дефекти кристалічної

Електромагнітні властивостіТому для T < θD електричний опір поділяють на дві

Електромагнітні властивостіФормула Блоха (для T<(θD/12)) :Формула Грюнейзена:

Електромагнітні властивостіВідношення електричного опору при 8К до електричного опору при 273К:Мідь

НадпровідністьУ 1911 р. Хайк К. Онесс, досліджуючи ртуть, відкрив явище надпровідності

НадпровідністьНадпровідність — макроскопічний квантово-механічний стан, у якому: зменшується електричний опір до

Теорія БКШТеоретичне пояснення надпровідності у 1956 році дали Дж. Бардін, Л.

Теорія БКШКристалічна ґратка провідника заповнена вільними електронами, що створюють електронну хмару

Теорія БКШУ надпровіднику електрони об’єднуються у пари (куперівські пари). Перший електрон

Теорія БКШУ 1 см3 надпровідника міститься 1020 куперівських пар, що утворюють

Особливості надпровідностіНадпровідність залежить від структури кристалу, отже є не властивістю атомів,

Особливості надпровідностіСрібло й золото не є надпровідниками, хоча є гарними провідниками,

Особливості надпровідностіСплав кількох металів, кожен з яких не є надпровідником, може

Ефект МейснераХ. Камерлінг-Онесс з’ясував, що магнітне поле виштовхується з об’єму надпровідника

Ефект МейснераНа ефекті Мейснера базується явище магнітної левітації. На магніт, поміщений

Критичне полеЯкщо підвищувати напруженість магнітного поля, то надпровідний стан руйнується. Магнітне

Правило СільсбіЕлектричний струм певної сили під час проходження через надпровідник створить

Глибина проникненняД. Шейнберг експериментально довів, що ефект непроникності магнітного потоку всередину надпровідника

Надпровідники 1 та 2 родуВсі зазначені властивості характерні для чистих матеріалів

Надпровідники 2 родуНадпровідник складної будови (з домішками) в магнітному полі пронизаний

Надпровідники 2 родуНадпровідні шари витісняють магнітне поле у шари з нормальною

Надпровідники 2 родуО.О.Абрикосов показав, що насправді у речовині немає виділених шарів

Надпровідники 2 родуУ надпровіднику 1 роду магнітне поле витісняється зі зразка

Надпровідники 2 родуЗ погляду практичного використання надпровідни-ків 2-го роду важливою є

Надпровідники 2 родуНині багато уваги приділяється вивченню властивостей тонких надпровідних плівок.