» » Оксид иттрия-бария-меди и магнитная левитация

Оксид иттрия-бария-меди и магнитная левитация


Оксид иттрия-бария-меди и магнитная левитация

На картинке изображена левитация постоянного магнита из неодима над охлажденным до сверхпроводящего состояния высокотемпературным сверхпроводником — оксидом иттрия-бария-меди. Этот эксперимент иллюстрирует эффект Мейснера — полное вытеснение магнитного поля из объема проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Хотя эффект Мейснера впервые был обнаружен еще в 1933 году, наглядная его демонстрация без сложной аппаратуры стала возможной с начала 1990-х годов, после того, как в 1987 году был получен первый высокотемпературный сверхпроводящий материал — оксид иттрия-бария-меди (YBCO), который можно охладить до сверхпроводящего состояния с помощью сравнительно дешевого жидкого азота.

Суть эксперимента в следующем. Постоянный магнит (их обычно изготавливают из неодима и его сплавов) помещают на плоский сверхпроводниковый материал, охлаждают его до перехода в сверхпроводящее состояние и наблюдают его «парение». Магнит может подняться над сверхпроводящей поверхностью на высоту от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Левитацию вызывает то, что в результате эффекта Мейснера постоянный магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «видит» магнит одноименной полярности и точно такого же размера. Когда сверхпроводник прогревается до температуры, при которой сверхпроводимость пропадает, левитация прекращается.

Температура перехода к сверхпроводимости (см. Критическая температура сверхпроводника) YBCO выше температуры кипения жидкого азота. При нормальном атмосферном давлении азот кипит при –196°С, а критическая температура YBCO составляет –180°С. Первый сверхпроводник YBCO был получен в Университете Алабамы в группе Мо-Куена Ву (Maw-Kuen Wu). Он имеет формулу YBa2Cu3O7–x и обозначается по соотношению иттрия, бария и меди как Y123. Знак «х» в формуле появляется из-за того, что YBCO относится к бертоллидам — веществам с переменным составом, — поэтому содержание кислорода в нем может варьироваться. Существуют и другие сверхпроводящие оксиды иттрия-бария-меди с другим соотношением металлов — YBa2Cu4Oy (обозначение Y124) или Y2Ba4Cu7Oy (обозначение Y247).


Оксид иттрия-бария-меди и магнитная левитация
Кристаллическая решетка Y123. Рисунок с сайта chemtube3d.com

Впервые Y123 был получен нагреванием смеси карбонатов соответствующих металлов в присутствии кислорода при температурах между 720 и 1000°С:

4BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6CuCO3 + (1/2–x) O2 -> 2YBa2Cu3O7–x + 13CO2.

Современные методы синтеза оксида иттрия-бария-меди основаны на спекании порошков нитратов и оксидов соответствующих металлов.

Электрические свойства YBa2Cu3O7–x зависят от содержания кислорода, то есть от числа «х» в формуле. Сверхпроводимость наблюдается только для материалов, в которых 0 <= x <= 0,65, а наиболее высокая температура перехода в сверхпроводящее состояние (–178°С) наблюдается при x ~ 0,07.

Помимо содержания кислорода, свойства оксида иттрия-бария-меди зависят от методов, выбранных для его кристаллизации. Критическая температура этого материала очень чувствительна ко взаимному расположению кристаллических зерен YBCO в изготавливаемой из него керамике, и температура перехода в сверхпроводящее состояние тем выше, чем регулярнее и правильнее ориентированы эти зерна друг относительно друга. Для получения материала с регулярным строением необходимо тщательно соблюдать температурный режим получения сверхпроводника, включая скорость подъема температуры при его обжиге.

Разработаны также методы синтеза YBCO с помощью химического осаждения паров, аэрозольных методов и химического осаждения из раствора. Однако с помощью этих методов получают только кристаллические зерна оксида иттрия-бария-меди, и для получения из них полноценных деталей, как, например, диск на картинке, эти зерна всё равно необходимо спекать, тщательно контролируя их взаимную ориентацию. Хотя, в отличие от метода Мо-Куена Ву, сейчас для получения правильной сверхпроводящей фазы YBCO температура обработки не превышает 700°C.

Сверхпроводящие элементы из YBCO используются не только для демонстрации эффекта Мейснера и магнитной левитации, но и, например, в ЯМР-спектрометрах, ускорителях частиц, реле на электростанциях.

Фото с сайта sciencedemonstrations.fas.harvard.edu.

Аркадий Курамшин

10 август 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Эталоны килограмма

На картинке — два эталона килограмма...

Глубоководные илы — практически неисчерпаемый источник редкоземельных металлов

Несколько лет назад при исследовании глубоководных илов на дне Тихого океана у берегов Японии было обнаружено, что в них содержатся огромные запасы редкоземельных металлов. Продолжающиеся

11 смешных фактов о пуканье

1. В среднем, один выброс газообразных продуктов жизнедеятельности из кишечника содержит 59 процентов азота (нитро! ? );21 процент водорода;9 процентов углекислого газа;7 процентов метана;4 процента

7 веществ, нарушающих правила физики

В мире много удивительных вещей и необычных материалов, но эти вполне могут претендовать на участие в категории «самые удивительные среди придуманных людьми». Безусловно, эти вещества «нарушают»

Почему появляется второе дыхание?

В спокойном состоянии организм стремится затрачивать как можно меньше энергии, так что в первые минуты после перехода к бегу или другой нагрузке мышцам ее не хватает, как не хватает и кислорода.

Какая проба золота самая лучшая

Золото было первым металлом, который открыл человек. Многие века оно использовалось в качестве способа сохранения сбережений и как украшение. И сегодня рынок золота предлагает огромный выбор
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?NASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераОбманщики чередуют ложь с правдой, чтобы им продолжали верить