Разделы презентаций


Презентация на тему Основные свойства и применение проводниковых материалов

Презентация на тему Презентация на тему Основные свойства и применение проводниковых материалов из раздела Разное. Доклад-презентацию можно скачать по ссылке внизу страницы. Эта презентация для класса содержит 24 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь удобным проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций TheSlide.ru в закладки!

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1
Министерство образования Российской ФедерацииСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет«ЛЭТИ»Факультет электроники Кафедра микроэлектроники тема: 10Материалы и элементы электронной техники Ч.Iдоц.
Текст слайда:

Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ»

Факультет электроники
Кафедра микроэлектроники

тема: 10

Материалы и элементы электронной техники Ч.I
доц. Лазарева Н.П.

Сверхпроводящие металлы и сплавы

Основные свойства и применение проводниковых материалов


Слайд 2
Сверхпроводящие металлы и сплавы Явление сверхпроводимости. У многих металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю,
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Явление сверхпроводимости.
У многих металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления постоянному электрическому току.

Явление получило название сверхпроводимости, температура ТСВ, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние - критической температурой перехода.
Впервые сверхпроводимость была обнаружена в1911 году голландским физиком Xейке Камерлинг-Оннесом (Kamerlingh Onnes) у ртути Hg (ТСВ = 4,2 К).


Слайд 3
Сверхпроводящие металлы и сплавы Удельное сопротивление материалов в сверхпроводящем состоянии в 1017 раз меньше сопротивления меди при
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Удельное сопротивление материалов в сверхпроводящем состоянии в 1017 раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре и составляет около 10–25 Ом∙м

При R = 0 разность потенциалов на любом отрезке сверхпроводника равна нулю. Это означает, что электрическое поле внутри сверхпроводящего материала отсутствует.
Электроны, создающие ток, в этом случае движутся с постоянной скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов решетки и ее неоднородностях.
Чтобы создать сверхпроводящий ток, нужно затратить лишь начальную энергию, ускоряя электроны до определенной скорости дрейфа.

Если к сверхпроводнику прикладывается переменное электрическое поле, в течение каждого периода создаваемый ток изменяет свое направление. Следовательно, в сверхпроводнике должно существовать электрическое поле, которое периодически замедляет электроны и ускоряет их в противоположном направлении. Так как на это расходуется энергия от внешнего источника питания, электрическое сопротивление на переменном напряжении в сверхпроводящем состоянии не равно нулю. Однако затраты энергии на частотах меньше 1010 Гц практически ничтожны.

Явление сверхпроводимости.


Слайд 4
Сверхпроводящие металлы и сплавы Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале температур (сотые доли градуса).

Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, границами зерен, пластической деформацией и т. п. , не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое.

Резкое изменение сопротивления металла не сопровождается какими-либо изменениями в его кристаллической решетке.

Изменение удельного сопротивления олова вблизи температуры перехода в состоянии сверхпроводимости:
1 — монокристалл; 2 — поликристалл; 3 — поликристалл с примесями



Слайд 5
Сверхпроводящие металлы и сплавы Физическая природа сверхпроводимости
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Физическая природа сверхпроводимости


Слайд 6
Сверхпроводящие металлы и сплавы Физическая природа сверхпроводимости Благодаря смещению ионов из положений равновесия в «кильваторе» движения электрона
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Физическая природа сверхпроводимости

Благодаря смещению ионов из положений равновесия в «кильваторе» движения электрона локально возрастает объемная плотность положительного заряда.
К этой области может притягиваться другой электрон. В результате косвенным образом, за счет взаимодействия с решеткой между электронами 1 и 2 возникает эффективное притяжение, которое превосходит силы кулоновского отталкивания. Второй электрон становится партнером первого, движение этих частиц уже нельзя рассматривать независимым друг от друга – образуется куперовская пара.

Электрон, движущийся среди положительно заряженных ионов, поляризует кристаллическую решетку, т.е. электростатическими силами притягивает к себе ближайшие ионы.

Простейшая схема образования электронных пар в сверхпроводящем металле


Слайд 7
Сверхпроводящие металлы и сплавы Схема образования электроных пар в сверхпроводящем металлеФизическая природа сверхпроводимости
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Схема образования электроных пар в сверхпроводящем металле

Физическая природа сверхпроводимости


Слайд 8
Сверхпроводящие металлы и сплавы Схема образования электроных пар в сверхпроводящем металлеФизическая природа сверхпроводимости Связываться в пары могут
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Схема образования электроных пар в сверхпроводящем металле

Физическая природа сверхпроводимости

Связываться в пары могут лишь те электроны, которые способны изменять свою энергию. Это электроны, расположенные вблизи уровня Ферми. В куперовские пары объединяются электроны, имеющие противоположно направленные импульсы.

Энергия пары оказывается меньше, если взаимодействующие электроны обладают антипараллельными спинами. Т.е. куперовская пара характеризуется не только нулевым суммарным импульсом, но и нулевым спином.

Расстояние ξ , на котором взаимодействуют два электрона, называют длиной когерентности. Фактически параметр ξ определяет размер электронной пары.


Слайд 9
Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10-7
Текст слайда:



Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве.
Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10-7 м, т.е. охватывает сотни или даже тысячи межатомных расстояний. Поэтому такие парные образования нельзя рассматривать как некие пространственно разделенные «квазимолекулы».
Куперовские пары перекрывают друг друга, непрерывно распадаются, прожив очень короткое время (~10-13 с), и создаются вновь.
Происходит постоянная смена партнеров, но при этом поддерживается некоторая равновесная концентрация куперовских пар, которая зависит от температуры.

Объясняя природу сверхпроводимости в металлах, теория БКШ, к сожалению, не может ответить на вопрос, почему не все металлы являются сверхпроводниками, не может предсказать сверхпроводящие свойства того или иного материала, его критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.

Верхняя оценка критической температуры для металлов по теории БКШ дает величину около 25 К, что согласуется с экспериментальными значениями ТСВ у лучших сверхпроводяших сплавов.


Слайд 10
Внешнее магнитное поле не проникает в толщу образца, затухая в тончайшем слое. Силовые линии магнитного поля огибают
Текст слайда:



Внешнее магнитное поле не проникает в толщу образца, затухая в тончайшем слое. Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник. Это явление, получившее название эффекта Мейсснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Глубина, на которую проникает магнитное поле, обычно составляет 10–8—10–7 м. Таким образом, сверхпроводники по магнитным свойствам являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью μ = 0.
Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. При этом эффект выталкивания выражен столь сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля. Аналогичным образом можно заставить висеть постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи.


Слайд 11
Зависимость изменения магнитной индукции В внутри сверхпроводника от напряженности внешнего магнитного поля Н:а — сверхпроводник I рода;
Текст слайда:



Зависимость изменения магнитной индукции В внутри сверхпроводника от напряженности внешнего магнитного поля Н:
а — сверхпроводник I рода;
б — сверхпроводник II рода

Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение Hсв. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода. У сверхпроводников I рода этот переход происходит скачкообразно, как только напряженность поля достигнет критического значения. Кривая намагничивания таких материалов показана на рисунке. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; для них различают нижнюю Нсв1 и верхнюю Нсв2 критические напряженности поля. В интервале между ними материал находится в промежуточном гетерогенном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы. Соотношение между их объемами зависит от Н. Магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода. Мтериал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхней критической напряженности поля.


Слайд 12
Критическая напряженность магнитного поля зависит от температуры. При Т = Тсв она обращается в нуль, но монотонно возрастает при
Текст слайда:



Критическая напряженность магнитного поля зависит от температуры. При Т = Тсв она обращается в нуль, но монотонно возрастает при стремлении температуры к 0 К.
Для сверхпроводников I рода температурная зависимость Нсв в хорошем приближении описывается выражением
Нсв(Т) = Нсв(0) [1 – (Т / Тсв)2]
где Нсв(0) — напряженность критического поля при температуре абсолютного нуля.

Критическая напряженность магнитного поля для сверхпроводников I рода составляет приблизительно 105 А/м, а у сверхпроводников II рода значение верхней критической напряженности может превы шать 107 А/м.

Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение Iсв.

IСВ = 2πrHCВ(Т).


Слайд 13
Классификация проводниковых материаловСверхпроводящие металлы и сплавы Температурные зависимости критической напряженности поля для свинца и белого олова (а);
Текст слайда:



Классификация проводниковых материалов

Сверхпроводящие металлы и сплавы

Температурные зависимости критической напряженности поля для свинца и белого олова (а);


качественные фазовые диаграммы для сверхпроводников I (б) и II (в) рода:
Св — сверхпроводящее состояние;
См — смешанное состояние;
Пр — проводящее нормальное состояние


Слайд 14
В состоянии сверхпроводимости ток локализуется в тонком поверхностном слое толщиной Δ. Для свинца толщина токового слоя (глубина
Текст слайда:



В состоянии сверхпроводимости ток локализуется в тонком поверхностном слое толщиной Δ. Для свинца толщина токового слоя (глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник) составляет всего лишь 40 нм.
Критическую плотность тока для сверхпроводников I рода:
J = IСВ/(2πrHСВ) = HСВ/Δ ≈ 1012 А/м2.
В сверхпроводниках II рода критический ток зависит от структуры сверхпроводника и у одного и того же материала может меняться на несколько порядков (правило Сильсби не выполняется).

Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение Iсв.
Для сверхпроводников I рода предельная сила тока ограничивается достижением на поверхности образца критической напряженности магнитного поля (правило Ф.Сильсби).
В случае длинной прямо- линейной проволоки круглого сечения радиуса r предельный ток определяется формулой

IСВ = 2πrHCВ(Т).


Слайд 15
Сверхпроводящие металлы и сплавы Сверхпроводящие материалы. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Сверхпроводящие материалы.

Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается.
Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях: кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др.
Из всех элементарных веществ наивысшей температурой перехода к сверхпроводимости обладает ниобий Nb (ТСВ = 9,2 К).
Cверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях (золото, медь, серебро, платина).
Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.
У одновалентных щелочных и благородных металлов не было обнаружено каких-либо признаков сверхпроводимости даже при температурах ниже 0,1 К.


Слайд 16
Сверхпроводящие металлы и сплавы Сверхпроводящие материалы. Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Сверхпроводящие материалы.

Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент — жидкий водород.
Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным.
Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Нсв = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.


Слайд 17
Сверхпроводящие металлы и сплавы Сверхпроводящие материалы. Основные свойства сверхпроводящих сплавов
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Сверхпроводящие материалы.

Основные свойства сверхпроводящих сплавов


Слайд 18
Сверхпроводящие металлы и сплавы Материалы высокотемпературной сверхпроводимости Высокотемпературными сверхпроводниками называют материалы, у которых критическая температура перехода в
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости

Высокотемпературными сверхпроводниками называют материалы, у которых критическая температура перехода в состояние сверхпроводимости Тсв превышает температуру кипения жидкого азота (77 К).
Большая группа таких материалов была открыта в 1987 г. Толчком к крупномасштабным исследованиям высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) послужило сообщение швейцарских физиков Й.Г. Беднорца и К.А. Мюллера о существовании сверхпроводящего состояния в оксидной керамике на основе системы La-Ba-Cu-O при температурах ниже 35 К.
В течение короткого периода времени в научных лабораториях целого ряда стран было синтезировано более двух десятков материалов, у которых критическая температура Тсв превышала 90 К, при этом сверхпроводящие свойства обнаруживались не только в керамических образцах, но также в тонких пленках и в объемных монокристаллах.
В таблице указан состав ВТСП- соединений, относящихся к различным химическим системам и обладающих наиболее высокими критическими параметрами.



Слайд 19
Сверхпроводящие металлы и сплавы Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) Критические температуры ТСВ для ряда оксидныхсверхпроводящих материаловВсе указанные в
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)

Критические температуры ТСВ для ряда оксидных
сверхпроводящих материалов

Все указанные в таблице материалы имеют сложную структуру с орторомбической или тетрагональной симметрией, их свойства сильно зависят от содержания кислорода. Общими элементами структуры этих оксидных соединений являются купратные слои CuO2, которые играют важную роль в возникновении ВТСП. Они присутствуют во всех сверхпроводящих купратах и определяют их критические параметры. Эта особенность подтверждается, в частности, ростом ТСВ по мере увеличения числа слоев CuO2 в соединениях ВТСП, содержащих ртуть, таллий или висмут.


Слайд 20
Сверхпроводящие металлы и сплавы Элементарная ячейка кристаллической оксидной фазы Y Ba2 Cu3 O 7-δ Одним из самых
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Элементарная ячейка
кристаллической оксидной фазы Y Ba2 Cu3 O 7-δ

Одним из самых перспективных материалов ВТСП является иттрий-бариевый купрат – YBa2Cu3O7-δ , для которого технология получения отработана достаточно хорошо.

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)

Элементарная ячейка иттрий-бариевого купрата представляется последовательной комбинацией вдоль оси с трех искаженных ячеек типа перовскита (АВО3), из которых средняя центрирована атомами иттрия, а две крайние – атомами бария. Купратные слои CuO2 , параллельные базисной плоскости ab, чередуются с цепочками CuO, ориентированными вдоль ребер b элементарной ячейки.
Слоистое строение оксида Y Ba2Cu3O7-δ приводит к сильной анизотропии его электрических свойств – проводимость вдоль оси с оказывается намного меньше, чем в перпендикулярном направлении.


Слайд 21
Сверхпроводящие металлы и сплавы Зависимость критической температуры перехода в состояние сверхпроводимости от содержания кислорода в иттрий-бариевом купрате
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Зависимость критической температуры перехода в состояние сверхпроводимости от содержания кислорода в иттрий-бариевом купрате YBa2Cu3O7-δ

Отклонения от стехиометрического состава, характеризуемые параметром δ, определяющим образом влияют на электрофизические свойства

По характеру исчезновения сверхпроводимости в магнитном поле материалы ВТСП относятся к сверхпроводникам II рода, причем в некоторых из них верхняя критическая напряженность магнитного поля достигает рекордно высоких значений ( более 107 А/м )

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)


Слайд 22
Сверхпроводящие металлы и сплавы Схемы установок для получения пленок ВТСП: а – метод лазерного распыления; б – метод магнетронного
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Схемы установок для получения пленок ВТСП:
а – метод лазерного распыления; б – метод магнетронного распыления;
1 – керамическа мишень, 2 – подложка, 3 – нагреватель, 4 – магнитная система.

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)

Подложками для осаждаемых пленок служат монокристаллы MgO, Al2O3, ZrO2, LaAlO3; ионизация газа происходит в плазме тлеющего разряда, возбуждаемого при давлении в рабочем объеме 1 ÷ 100 Па.


Слайд 23
Сверхпроводящие металлы и сплавы Схема пленочного СП ключа с лазерным управлением:1 – световод; 2 – пленка ВТСП;
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Схема пленочного СП ключа с лазерным управлением:
1 – световод; 2 – пленка ВТСП; 3 - подложка

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)

Пример коммутационного элемента на ВТСП-пленках - ключ с лазерным управлением.
При подаче по волоконному световоду на активный элемент оптического излучения даже небольшой мощности ВТСП - пленка испытывает переход в резистивное состояние, т.е. ее сопротивление резко возрастает, что ограничивает величину протекающего тока.
Время срабатывания такого ключа находится в пределах 10-8 ÷ 10-11 с. Он может быть использован для управления работой процессора.


Слайд 24
Сверхпроводящие металлы и сплавы Схема пленочного криотрона с вентилем на основе туннельного контакта Джозефсона:1 – контакт Джозефсона;
Текст слайда:



Сверхпроводящие металлы и сплавы

Схема пленочного криотрона с вентилем на основе туннельного контакта Джозефсона:
1 – контакт Джозефсона; 2 – вентильная шина; 3 – управляющий электрод; 4 – обводное сверхпроводящее кольцо

Сверхпроводящие материалы.

На основе пленок ВТСП реализованы различные пассивные и активные элементы СВЧ электроники: линии задержки, резонаторы, фильтры, ограничители мощности, переключатели, фазовращатели, детекторы и смесители. В материалах ВТСП наблюдается джозефсоновское туннелирование носителей заряда через тонкий слой диэлектрика.
С помощью пленок ВТСП удается измерять магнитное поле человеческого сердца напряженностью всего лишь 10-7 А/м, снимать электроэнцефалограммы. Измерение слабых изменений магнитного поля Земли используется в геофизических приборах при поиске нефтяных и минеральных месторождений.


Обратная связь

Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое TheSlide.ru?

Это сайт презентации, докладов, проектов в PowerPoint. Здесь удобно  хранить и делиться своими презентациями с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика