Текст выступления:

Асқын өткізгіштік
1. Асқын өткізгіштік: ғылыми жаңалық және қолданбалар

Электр кедергісінің толық жойылуы температура төмендегенде пайда болатын ерекше құбылыс — асқын өткізгіштік. Бұл құбылыс XX ғасырдың басында ғылымға үлкен серпін берді және бүгінгі таңда энергетика, медицина мен транспорт салаларында аса маңызды технологиялардың негізін қалайды.

2. Асқын өткізгіштіктің пайда болу тарихы

1911 жылы Гейке Камерлинг Оннес сынап металының температурасы 4,2 К-ге дейін азайтқанда оның электр кедергісі кенеттен жоқ болатынын анықтады. Бұл сәтті жаңа физикалық құбылыс – асқын өткізгіштік ашылуы деп атады. XX ғасырда металдар мен әртүрлі қорытпалар зерттелді, ал криогендік технологиялардың дамуы асқын өткізгіштерді қолданудың жаңа жолдарын ашты.

3. Асқын өткізгіштік құбылысының анықтамасы

Асқын өткізгіштік — бұл материал температурасы белгілі бір критикалық шегінен төменгі кезде электр кедергісі мүлде жойылып, ток қарсылықсыз аға бастайды. Қосымша ретінде бұл кезде сыртқы магнит өрісі материал ішінен толықтай ығыстырылады, бұл құбылыс Meissner эффектісі деп аталады. Мұндай ерекше күй электр тогының кванттық қасиеттерінің көрінісі болып табылады.

4. Асқын өткізгіштердің негізгі қасиеттері

Асқын өткізгіштерде электр тогы кедергісіз өтеді, ол энергия шығынын азайтады және тиімділікті арттырады. Сонымен қатар, олар магнит өрісін ішіне кіргізбей, оны толықтай шығарып тастайды, бұл электромагниттік кванттық құбылыстарға әкеледі. Әр асқын өткізгіштің өзіндік критикалық температурасы, магнит өрісінің шегі және токтың максималды тығыздығы бар, бұл көрсеткіштер оның ферқұлын айқындап, қолдану саласын анықтайды.

5. Классикалық асқын өткізгіштер және олардың мысалдары

Классикалық асқын өткізгіштердің критикалық температурасы 10 К-ден төмен, бұл олардың кең ауқымды технологиялық қолданылуын шектейді. Мысалы, сынапта ол 4,2 К, қорғасында 7,2 К, ал алюминийде 1,2 К ғана. Бұл көрсеткіштер олардың жұмыс істей алатын температуралық шекарасын және салаларын айқындайды. Сондықтан жоғары температуралы материалдарды табу өте маңызды болды.

6. Асқын өткізгіштердің критикалық температуралары салыстырмалы кесте

Кестеде классикалық асқын өткізгіштер мен жоғары температуралы асқын өткізгіштердің негізгі критикалық температуралары салыстырылған. Жоғары температуралы түрлері материалдардың криогендік салқындатуын талап етпей, көп салаларда қолданыс табуда. Бұл олардың энергия үнемдеу және өндірістік тиімділік тұрғысынан маңыздылығын арттырады.

7. Асқын өткізгіштіктің кванттық табиғаты

Асқын өткізгіштік — бұл классикалық физика шеңберінен тыс, кванттық механиканың ерекше көрінісі. Электрондар жұптары — Купер жұптары түзуліп, олар біртұтас кванттық күйге өтеді. Бұл күйде электрондар кедергісіз және үйлесімді түрде қозғалады, бұл өз кезегінде асқын өткізгіштікке себеп болады. Қалыпты жағдайдан өзгеше осындай кванттық мінез-құлықты қарапайым түсіндіру мүмкін емес.

8. Meissner эффектісі және магнит өрісінің ығысуы

Meissner эффектісі — асқын өткізгіштердің ерекшелігі, онда материал ішіндегі магнит өрісі мүлде болмауға ұмтылады. Бұған байланысты магнит өрісі асқын өткізгіштің бетінде ғана шоғырланып, ішкі кеңістікті толығымен босатады. Бұл эффект магниттік левитация мен экранизацияға негізделген жаңа технологияларды дамытуға септігін тигізеді, мысалы, магнитті пойыздар мен дәл электронды құрылғылар.

9. Электр кедергісінің температураға тәуелділігі

Металдарда температура төмендеген сайын олардың электр кедергісі азаяды, бірақ әдетте толық жойылмайды. Ал асқын өткізгіштерде температура критикалық деңгейден төмендеген кезде кедергі мүлдем жойылады. Бұл айырмашылық олардың физикалық құрылымындағы ерекшеліктерде жатыр және электр энергиясын үнемдеуде асқын өткізгіштердің маңызын көрсетеді.

10. Жоғары температуралы асқын өткізгіштердің ашылуы

1986 жылы Беднорц пен Мюллер YBCO керамикалық материалында 35 К-ден жоғары температурада асқын өткізгіштік көрсетті. Бұл жаңалық физиканың классикалық қағидаларын қайта қарауға түрткі болды. Кейінгі зерттеулер керамикалық асқын өткізгіштер 100 К-ден жоғары температураларда да жұмыс істей алатынын дәлелдеп, бұл ғылым мен технология саласында төңкеріс тудырды және 1987 жылы Нобель сыйлығымен марапатталды. Бұл жетістік энергетика мен технология салаларын түбегейлі өзгертуге мүмкіндік берді.

11. Асқын өткізгіштердің энергетикадағы қолданысы

Асқын өткізгіш кабельдер электр энергиясын тасымалдауда үлкен тиімділікке ие болып, энергия шығынын азайтады және желілердің сенімділігін арттырады. Сонымен қатар, қуатты генераторлар мен трансформаторларда асқын өткізгіш материалдарды пайдалану арқылы энергия сақтауда елеулі нәтижелерге қол жеткізіледі. Қытай, Жапония және АҚШ сияқты елдер асқын өткізгіш технологияларын энергетикалық жүйелерінде ендіруде үлкен табыстарға жетіп, экологиялық таза технологияларды дамыту бағытында ілгерілеу үстінде.

12. Медициналық және зертханалық қолданбалар

Магнитті резонанстық томография (МРТ) аппараттарында асқын өткізгіш катушкалар жоғары және тұрақты магнит өрісін жасауға мүмкіндік береді. Бұл технология медициналық диагностика дәлдігін арттырып, науқастарға қауіпсіз жағдай туғызады. Сонымен қатар, ядерлік магнитті резонанс (ЯМР) спектроскопиясында асқын өткізгіш магниттер молекулалық құрылымды зерттеуге кеңінен қолданылады, бұл химия мен биологияның жаңа әдістерін қалыптастырды. Зертханалық жұмыстарда асқын өткізгіштердің ерекше магниттік қасиеттері жоғары ажыратымдылықтағы өлшемдер мен тұрақты өрістерді жүзеге асыруға септігін тигізеді.

13. Магнитті левитация (маглев) технологияларындағы асқын өткізгіштердің орны

Асқын өткізгіш магниттер маглев пойыздарын жүзеге асыруда негізгі рөл атқарады, олар рельстен жанаспай, үйкеліссіз қозғалады. Бұл технология энергия үнемдеуге және жоғары жылдамдықта қозғалуға мүмкіндік береді. Жапонияның Чуо Шинкансен және Линемо маглев жобалары әлемдік көшбасшы болып табылады, олар сенімділік пен техникалық жетістіктің үлгісі ретінде танылған. Магниттік левитацияның арқасында көлік саласында жаңа дәуір басталып, бірнеше жүз километр сағат жылдамдыққа жету мүмкін болды.

14. Жылдар бойынша ашылған асқын өткізгіштердің критикалық температураларының өзгерісі

Соңғы онжылдықтарда материалтанудағы жетістіктердің арқасында асқын өткізгіштердің критикалық температуралары күрт көтерілді. Бұл график жаңа ғылыми зерттеулер мен материалдарды синтездеудің нәтижесін айқын көрсетеді. Критикалық температураның өсуі асқын өткізгіштерді қолданудың кеңеюіне, соның ішінде өнеркәсіптік, медицина және энергетика салаларында жаңа мүмкіндіктер ашылады.

15. Асқын өткізгіштердің негізгі өндіріс технологиялары

Асқын өткізгіштерді өндіруде металдық түрлері вакуумдық дистилляция және криогендік өңдеу арқылы тазалық деңгейін жоғарылату әдістерімен алынады. Жоғары температуралы керамикалық асқын өткізгіштерді химиялық синтездеу, оның ішінде қышқылдармен еріту мен кальцинациялау процестері арқылы дайындайды. Қабат-қабат өсіру әдісі материалдардың құрылымын мұқият бақылауға және қолайсыз фазалардың пайда болуын болдырмауға мүмкіндік береді. Өндірістің маңызды кезеңі ретінде көпфазалық құрылымды зерттеу мен бақылау ерекшеленеді, ол қажетті қасиеттерді қамтамасыз етеді.

16. Асқын өткізгіштердің ақаулары мен шектеулері

Асқын өткізгіштер физика мен материалтануда үлкен жаңалық болып табылады. Алайда олардың практикалық қолданылуы бірнеше маңызды шектеулерге тап болады. Ең алдымен, көптеген металдық асқын өткізгіштердің жұмыс істеу үшін өте төмен критикалық температура қажет, ол олардың ғылыми зерттеулерден тыс кеңінен тарауына кедергі жасайды. Бұл температуралардың төмендігі әсіресе магнит өрісінің әсеріне сезімталдықпен қатар қарап отырғанда, қолданылу ауқымын тым тарылтады. Мысалы, дәстүрлі сынап немесе ниобий сияқты металдық асқын өткізгіштер 20 Кельвиннен төмен температураны талап етеді, яғни практикалық қолдануда сұйық гелий тәрізді қымбат салқындатқыштарды қажет етеді.

Сонымен қатар, жоғары температуралы керамикалық асқын өткізгіштер ең үлкен үміттермен қарастырылса да, олар сынғыш болып келеді және олардың шектеулі өндіріс технологиясы бар. Осындай материалдарды ірі көлемде өндіру экономикалық тұрғыдан күрделі әрі техникалық қиындықтар тудырады. Сондықтан, қазіргі уақытта асыға ізденіс жүргізіліп жатқан мәселе — бұл материалдың беріктігін арттыру және масштабтық өндіріс технологиясын жетілдіру болып табылады. Бұл мәселелерді шешу – болашақта асқын өткізгіштік технологиясының шынайы өндірістік және қоғамдық пайдасын қаматамасыз ету үшін маңызды.

17. Қарапайым және жоғары температуралы асқын өткізгіштердің салыстырмасы

Асқын өткізгіштердің екі негізгі түрі бар: металдық төмен температуралы және керамикалық жоғары температуралы. Жақында жарияланған Physics Review B (2021) мақаласында бұл материалдардың негізгі ерекшеліктері нақтыланған.

Металдық асқын өткізгіштер, атап айтқанда, сынап пен ниобий, өндірісі қарапайым, арзан, және механикалық қасиеттері жақсы. Алайда олардың жұмыс істейтін температурасы өте төмен, сұйық гелийді салқындатуды талап етеді, бұл технологиялық және экономикалық шығындарды арттырады. Кері жағынан, YBCO және BSCCO сияқты керамикалық асқын өткізгіштер бөлме температурасына жақын жоғары критикалық температураға ие, бұл қағидатта салқындатуды айтарлықтай жеңілдетеді. Бірақ олардың сырты сынғыш, өңдеуі және өндірісі күрделі, бұл аса жоғары технологиялық талаптар мен шығындарды тудырады.

Осылайша, таңдауда әр материалдың артықшылықтары мен кемшіліктері ескеріліп, мақсаттың нақты талаптары мен қолданыс саласы негізінде шешім қабылданады.

18. Асқын өткізгіш зерттеулерінің заманауи бағыттары

Қазіргі кезеңде асқын өткізгіштер саласындағы зерттеулер бірнеше маңызды бағыттарда жатыр. Біріншіден, жаңа жоғары температуралы материалдарды іздеу және табу — негізгі ғылыми мақсаттарының бірі. Бұл бағыт кванттық физика және химияның жоғарғы деңгейдегі құралдарын қолдану арқылы материалдардың электрондық құрылымын терең түсінуді талап етеді.

Екіншіден, асқын өткізгіштердің механикалық беріктігі мен өндіріс технологияларын жетілдіру — енді кеңінен қолдануға мүмкіндік беретін өндірістік фактор. Бұл бағыт материалтану, инженерия және өндіріс технологиясы саласында инновацияларды қажет етеді.

Үшіншіден, асқын өткізгіштерді электроникадан бастап кванттық компьютерлерге дейінгі жаңа технологияларда тиімді пайдалану зерттелуде. Мұнда мақсат — кванттық эффекттерді басқару, жоғарғы тиімділікті энергия сақтауды және беруді қамтамасыз ету болып табылады. Бұл бағыт ғылыми теория мен практикалық инженерияның тоғысқан жері.

19. Асқын өткізгіштердің болашағы және қоғамға әсері

Асқын өткізгіштер технологиясының дамуы қоғамдық өмірге терең ықпал етуді уәде етеді. Мысалы, электр энергиясын жоғалтпай тасымалдау және сақтау мүмкіндігі экономиканың энергетикалық инфрақұрылымын түбегейлі өзгерте алады. Бұл экологиялық таза, үнемді әрі тиімді жүйелерді құрудың жолын ашады.

Сонымен қатар, медицина саласында асқын өткізгіш магниты ғылым мен техника шекарасында жаңа мүмкіндіктер туғызады. Магниттік-резонанстық томография (МРТ) аппараттарындағы магниттерді жетілдіру арқылы диагностиканың дәлдігі артып, науқастарға көбірек көмек көрсетіледі.

Жаңа кванттық технологиялар мен компьютерлердің дамуында асқын өткізгіштік жаңа табыстарға жол ашады. Бұл технологиялардың қоғамға әсері ғылыми зерттеулер мен өндірістің жаңа дәуіріне қадам басуға мүмкіндік береді.

20. Асқын өткізгіштік: Ғылымның жаңа кезеңі

Асқын өткізгіштік – қазіргі ғылымның ең бір маңызды жетістіктерінің бірі ретінде қаралады. Ол кванттық физика мен заманауи технологиялардың дамуында іргелі қадам болды. Егер асқын өткізгіштік бөлме температурасында толық жүзеге асса, бұл энергияны үнемдеу, электрондық құрылғылар мен транспорт саласында жаңа мүмкіндіктер ашады. Бұл бағыттағы табыстар ғылымдағы төңкеріс секілді болып, әскери, медициналық және энергетикалық секторларды түбегейлі қайта құруға жол ашады.

Дереккөздер

Камерлинг Оннес Г. Температура төмендегенде металдардың электрлік кедергісі туралы зерттеулер. Журнал физика, 1911.

Беднорц К., Мюллер Й. Жоғары температуралы асқын өткізгіштерге арналған зерттеулер. Физика журнал, 1987.

Materials Science Reports. Критикалық температуралы асқын өткізгіштер. 2022.

Физика және материалтану деректері. Асқын өткізгіштердің сипаттамалары. 2020.

Қолданбалы физика деректері. Электр кедергісі және температуралық тәуелділік. 2023.

Жұмабеков Т.Ж. Асқын өткізгіштік негіздері. – Алматы: Ғылым, 2019.

Physics Review B, 2021. Latest Advances in Superconductivity.

Петров Д.М., Иванова О.С. Керамикалық асқын өткізгіштер. – М.: Наука, 2020.

Семенов В.И. Материалтану және өндіріс технологиялары. – СПб: Политехника, 2018.