Сверхпроводящая керамика

Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиков состояла в том, что в системах содержащих вещества с переменной валентностью возможна сверхпроводимость, причем при более высоких температурах. Были исследованы двойные системы, т.е. состоящие из двух разных оксидов. Здесь не удалось найти сверхпроводимость. И только в тройных системах BaO-La₂O₃-CuO в 1986 г была обнаружена сверхпроводимость при температуре 30-35 К. За эту работу Беднорц и Мюллер получили Нобелевскую премию в следующем, (!!) 1987 г. Интенсивные исследования родственных составов в течение года привели к обнаружению сверхпроводимости в системе BaO-Y₂O₃-CuO при температуре 90 К.  На самом деле сверхпроводимость получена в еще более сложной системе, формулу которой можно представить как YBa₂Cu₃O_7-d. Значение d для самого высокотемпературного сверхпроводящего материала составляет 0.2. Это означает не только определенное процентное соотношение между исходными окислами, но и уменьшенное содержание кислорода. Действительно, если посчитать по валентностям, то у иттрия - 3, у бария - два, у меди 1 или 2. Тогда у металлов полная валентность составит 10 или 13, а у кислорода - чуть меньше 14. Значит в этой     керамике избыток кислорода относительно стехиометрического соотношения.

Керамику получают по обычной керамической технологии. Как из хрупкого вещества делать провода?  Один из способов, делают суспензию из порошка в подходящем растворителе, затем раствор продавливают через фильеру, подсушивают и сматывают на барабан. Окончательное удаление связки проводят выжиганием, провод готов. Свойства таких волокон: критические температуры  90-82 К, при 100 К r=12 мОм·см, (примерно как у графита), критическая плотность тока 4000 А/м².

Остановимся на последней цифре. Это значение крайне низко для применения в энергетике. Сравнивая с экономической плотностью тока (~1 А/мм²),  видно, что в керамике плотность тока в 250 раз меньше. Ученые исследовали этот вопрос и пришли к выводу, что во всем виноваты контакты, которые не являются сверхпроводящими. Действительно, в монокристаллах получены плотности тока, достигающие экономической плотности тока. А в последние два-три года получены керамические провода, плотность тока в которых превышает экономическую плотность тока. В 1999 году в Японии введен в пробную эксплуатацию сверхпроводящий кабель, соединяющий две станции метро. Кабель сделан по технологии "сэндвича", т.е. хрупкая керамика в нем находится между двумя слоями упругой и пластичной меди. Изоляцией и одновременно, хладоагентом, является жидкий азот.

Как вы думаете, что является одной из основных проблем работы этого кабеля? Можете догадаться, об этих проблемах раньше говорили применительно к изоляции. Оказывается, диэлектрические потери в таком замечательном диэлектрике, как жидкий азот, подогревают его, что требует постоянной заботы об дополнительном охлаждении.Цель работы - Изучение вращения тела вокруг закрепленной оси на примере маятника Обербека. Приборы и материалы - маятник Обербека, нить с грузами и перегрузками, милисекундометр. Теория. При вращательном движении твердого тела вокруг закрепленной оси все точки тела описывают окружности в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения с центрами лежащими на этой оси. Если ось вращения - одна из главных осей инерции тела, то основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела выглядит следующим образом 1) и преобразуется к виду 2); где - момент импульса твердого тела, - сумма всех моментов сил приложенных к телу, I - момент инерции тела относительно оси вращения, N - сумма проекций моментов сил на ось вращения, - угловое ускорение тела. В этой работе, для изучения вращения тела, я использовал маятник Обербека. Твердое тело выполнено в виде крестовины из стержня с насажанными грузами m1. Вращатель-ный момент N создается натяжением нити Т, переброшенной через шкив радиуса r, насажанный на ту же ось, что и крестовина. К нити привязан груз (с перегрузками) суммарной массы m. Экспериментально проверяя правильность следствий, вытекающих из уравнения 2). Без учета момента сил трения в оси подшипника шкива уравнение 2) принимает вид 3) здесь принято во внимание, что Т=Т' (нить невесома). Используя для описания движение платформы с перегрузком второй закон Ньютона и учитывая связь между ускорением платформы с перегрузком и угловым ускорением крестовины, получим еще два уравнения: 4) 5) . Знаки проекции величин, входящих в 4), соответствуют положительному направлению оси Х, ко-торый направлен от оси вращения вертикально вниз. Из уравнений 3) и 5) получаем: 6) . Так как платформа с перегрузком из состояния покоя движется прямолинейно с постоянным ус-корением, то проходимое ими расстояние меняется со временем по закону: 7) Исключая из 6) и 7) ускорение получим формулу для момента инерции маятника 8) . Уравнение 8) получено без учета момента силы трения в оси подшипника шкива. Предполагая, что этот момент практически не зависит от угловой скорости вращения маятника, то есть является постоянным, можно экспериментально определить его величину Для этого к концу нити намотанной на любой из шкивов прикрепляется платформа с перегрузками суммарной массой m, поднятая на высоту h. Очевидно, что до того момента, когда маятник начнет вращаться, система маятник - платформа обладает потенциальной энергией mgh