Перспективные виды проводниковых материалов

Методическая разработка урока

Тема: «Проводниковые материалы. Сверхпроводники»

Тип урока: Комбинированный

Цель: сформировать представление о сверхпроводимости, о классификации сверхпроводниковых материалов, их свойствах, о применении сверхпроводников в электротехнике и электроэнергетике с применением ИКТ.

Задачи

Образовательная:

– раскрыть понятие сверхпроводимости;

– сформировать представление о сверхпроводниковых материалах;

– познакомить с основными свойствами сверхпроводников;

– сформировать представление об эффекте Мейснера;

– сформировать представление о применении сверхпроводников в электротехнике и электроэнергетике.

Развивающая:

– развить умение мыслить, анализировать, обобщать; формирование чувства новизны и любознательности; развить самостоятельность, творческое начало, кругозор.

Социокультурная:

– воспитать внимание, усердие, трудолюбие при изучении нового материала;

– воспитывать дисциплинированность, ответственное отношение к учебному труду;

– показать тесную связь изучаемого предмета с жизнью.

Межпредметные связи: "Физика", "Химия", "Электрические машины и трансформаторы", "Контактная сеть".

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, поисковый, исследовательский.

Ресурсы: компьютер, интерактивная доска, широкополосный интернет, планшеты или смартфоны.

План урока

I. Организационный момент (15 мин)

На экране слайд с названием новой темы (рисунок 1).

Рисунок 1

1) мобилизующее начало (проверка готовности к уроку) (5 мин);

Здравствуйте. Тема нашего урока “Проводниковые материалы. Сверхпроводники”. Откройте конспекты, запишите число и тему урока. Сегодня на уроке мы выясним что такое сверхпроводимость, какие вещества относятся к сверхпроводникам, какими свойствами обладают и где они применяются. Но сначала повторим пройденный материал. Для этого необходимо пройти тестирование на сервисе Kahoot.

На интерактивной доске отображаются задания с вопросами (ответами) для повторения, различными заданиями по теме "Проводниковые материалы высокой проводимости". Студенты с планшетов или смартфонов отвечают на вопросы теста (рисунок 2-4).

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

II. Формирование новых знаний, умений, навыков

Мы повторили с вами,что такое электропроводимость и какие вещества называются проводниками, а сейчас приступаем к изучению веществ, называемых сверхпроводниками.

Немного истории (рисунок 5).

Рисунок 5

В 1911 году голландский физик Х. Камерлинг–Оннес проводил измерения электрического сопротивления ртути при низких температурах. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить температуру. Результат этого исследования оказался неожиданным: при температуре ниже 4,15 К электрическое сопротивление ртути почти мгновенно исчезло.

Это свойство получило название сверхпроводимости.

Сверхпроводимость – это свойство некоторых материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура Т_с).

График такого поведения сопротивления в зависимости от температуры приведен на рисунке 6.

Рисунок 6

Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.

Например, к сверхпроводникам относятся: алюминий, свинец, ртуть, тантал, ванадий, ниобий, олово, сплав ртути с золотом и оловом и т.д. (рисунок 7).

Рисунок 7

Температура перехода проводника в сверхпроводящее состояниеТ_су каждого вещества своя. Например: алюминий (1,18 К), свинец (7,26 К), ртуть (4,15 К), тантал (4,38 К), ванадий (5,30 К), ниобий (9,20 К), олово (3,69 К).

Для наблюдения явления сверхпроводимости нужно охлаждать металлы до низких температур. Причем образец должен охлаждаться постоянно, для чего его необходимо поместить в охлаждающую жидкость. Все жидкости при низких температурах замерзают, поэтому в качестве охладителя применяют сжиженные газы (гелий, водород, неон).

Интересный факт! Медь – один из наиболее хорошо проводящих ток металлов, она широко используется в электротехнике и электроэнергетике, в том числе и для изготовления электрических проводов для передачи электроэнергии на большие расстояния. При понижении температуры удельное сопротивление меди постепенно понижается и при температуре несколько кельвинов составляет 10^–9 Ом·см, но сверхпроводником медь не становится. А алюминий, свинец, ртуть переходят в сверхпроводящее состояние, и проведенные с ними опыты показывают, что удельное сопротивление сверхпроводника не превышает 10^–23 Ом·см – это в сто триллионов раз меньше, чем у меди (рисунок 8).

Рисунок 8

Классификация сверхпроводящих материалов (рисунок 9):

По отклику на магнитное поле: сверхпроводники I рода (это чистые вещества, у которых наблюдается полный эффект Мейснера); сверхпроводники II рода (это вещества, в которых эффект Мейснера проявляется частично;

По их критической температуре: низкотемпературные (ниже температуры кипения азота) и высокотемпературные;

По материалу: чистый химический элемент, сплавы, керамика, сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и т. п.

Рисунок 9

К основным свойствам сверхпроводников относятся:

1. Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю;

2. Постоянный ток в сверхпроводнике не нуждается в присутствии электрического поля, электрическое поле в сверхпроводнике равно нулю;

3. В сверхпроводниках магнитное поле ослабляется до нуля, они являются идеальными диамагнетиками;

4. Постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего образца (эффект Мейснера).

Интересный факт! Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю. Это было продемонстрировано в ходе эксперимента, где в замкнутом сверхпроводнике был индуцирован электрический ток, который протекал в нём без затухания в течение 2,5 лет. Эксперимент был прерван забастовкой рабочих, подвозивших криогенную жидкость (сжиженный газ с температурой ниже 120 К) (рисунок 10).

Рисунок 10

Наиболее важным свойством сверхпроводникового материала является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника (рисунок 11).

Рисунок 11

Впервые опыт, демонстрирующий присутствие эффекта Мейснера, осуществил советский физик В. К. Аркадьев в 1945 году (рисунок 12).

Рисунок 12

Постоянный магнит длиной несколько сантиметров парит на расстоянии чуть больше 1 см над дном сверхпроводящей чашечки, поставленной на три медные ножки. Ножки стоят в жидком гелии, а чашечка находится в парах гелия для поддержания сверхпроводящего состояния. Опыты, демонстрирующие присутствие эффекта Мейснера, показаны на рисунке 13.

Рисунок 13

Теперь послушаем выступление докладчика на тему «Использование сверхпроводников электроэнергетике и транспорте»

Выступает студент с докладом.

Примерный текст доклада.

Сегодня весьма актуально применение сверхпроводников в энергетике, на транспорте (рисунок 14).

Рисунок 14

Рассмотрим несколько наиболее важных отраслей применения.

В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Высокая плотность тока в сверхпроводниках позволяет уменьшать размеры оборудования, а также создавать магнитные поля высокой интенсивности, недостижимые обычной аппаратурой. Ограничивающим фактором является необходимость поддержания проводника при низкой температуре, что само по себе требует энергозатрат, поэтому наиболее актуальны применения в устройствах большой мощности. В этом случае затраты на криообеспечение пренебрежимо малы.

В настоящее время промышленность США уже имеет коммерческие ВТСП изделия - трансформаторы, электрические моторы, токоограничители и силовые кабели. С ростом производства изготовители ВТСП кабелей будут способны установить их во всех электросетях США. ВТСП кабели имеют целый ряд преимуществ в сравнении с традиционными, включая более низкие потери, меньший вес, более компактные размеры. ВТСП кабели не воздействуют на окружающую среду – они не излучают электромагнитные поля, в них не используют для охлаждения при подземной прокладке технические масла, как в случае традиционных кабелей. Исключение суммы потерь (4 млрд. долл. ежегодно) может компенсировать относительно высокую на данное время стоимость ВТСП кабеля (рисунок 15).

Рисунок 15

Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений.

Одним из самых перспективных направлений является комнатная сверхпроводимость. Оно будет усиленно развиваться, т.к. имеет огромное значение.

В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии. Еще одно перспективное применение сверхпроводников – в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также и в самолетах и на автомобильном транспорте.

Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд будет двигаться плавно, без шума и трения и будет способен развивать очень большую скорость. Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

Интересный факт! В ходе испытаний 21 апреля 2015 года на экспериментальном участке путей протяженностью 42,8 километра в префектуре Яманаси специалисты японской железнодорожной компания Central Japan Railway Co. (JR Central) смогли установить новый мировой рекорд скорости для поездов на магнитной подушке "Маглев". Состав смог развить скорость до 603 километров в час.

Рисунок 16

III. Закрепление изученного материала

Для закрепления пройденного материала необходимо пройти тестирование на сервисе Kahoot.

На интерактивной доске отображаются задания с вопросами (ответами) для повторения, различными заданиями по теме "Проводниковые материалы. Сверхпроводники". Студенты с планшетов или смартфонов отвечают на вопросы теста (рисунок 17-19).

Рисунок 17

Рисунок 18

Рисунок 19

IV. Итог урока

Оценивание ответов студентов.

Вопросы рефлексии:

1. Что узнали нового из урока?

2. Удалось ли понять и представить явление сверхпроводимости?

3. Какие моменты урока для вас были наиболее интересными?

4. Что показалось наиболее трудным на уроке?

5. Успешно ли применение презентации?

6. Хотели бы вы больше узнать о сверхпроводимости?

Рисунок 20

V. Домашнее задание

1. Повторить изученный материал;

2. Подготовить рефераты на темы:

1. «Сверхпроводники I рода. Их свойства»

2. «Сверхпроводников II рода. Их свойства»

3. «Высокотемпературная сверхпроводимость. Её применение»

4. «Использование сверхпроводников в медицине»