Тема: «Проводниковые материалы. Сверхпроводники»
Тип урока: комбинированный, т.е. урок обобщения и систематизации знаний с элементами объяснения нового материала
Вид урока: смешанный
Цель: сформировать представление о сверхпроводимости, о классификации сверхпроводниковых материалов, их свойствах, о применении сверхпроводников в электротехнике и электроэнергетике.
Задачи
Образовательная:
– дать определение 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.
Воспитывающая:
– 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.
Оборудование: компьютер, экран, мультипроектор, видеоматериалы.
План урока
I. Организационный момент (15 мин)
На экране слайд с названием новой темы (слайд1).
Слайд 1
1) мобилизующее начало (проверка готовности к уроку)(5 мин);
Здравствуйте ребята. Тема нашего урока “Проводниковые материалы. Сверхпроводники”. Откройте тетради и 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 давайте повторим пройденный материал.
2) Фронтальный опрос (10 мин).
2.1 Что такое электропроводность?
2.2 На какие группы в зависимости от электропроводности делятся все вещества? Приведите примеры веществ для каждой из групп.
2.3 Приведите примеры использования проводников, полупроводников и диэлектриков в электротехнике и электроэнергетике.
2.4 Какие вещества называют проводниковыми материалами высокой проводимости? Приведите примеры таких веществ.
2.5 Какие вещества называют проводниковыми материалами высокого сопротивления? Приведите примеры таких веществ.
II. Формирование новых знаний, умений, навыков
1) Мотивация (1 мин)
Учитель: Мы повторили с вами что такое электропроводность и какие вещества называются проводниками, а сейчас приступаем к изучению веществ, называемых сверхпроводниками.
Немного истории (слайд 2).
Слайд 2
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.
График такого поведения сопротивления в зависимости от температуры приведен на рисунке 1 (слайд 3).
Слайд 3
Это свойство получило название сверхпроводимости.
Сверхпроводимость – это свойство некоторых материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура Тс).
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.. (слайд 4)
Слайд 4
Температура перехода проводника в сверхпроводящее состояние Тс у 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. (слайд 5)
Слайд 5
Классификация сверхпроводящих материалов (слайд 6):
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.
Слайд 6
К основным свойствам сверхпроводников относятся:
Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю;
Постоянный ток в сверхпроводнике не нуждается в присутствии электрического поля, электрическое поле в сверхпроводнике равно нулю;
В сверхпроводниках магнитное поле ослабляется до нуля, они являются идеальными диамагнетиками;
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). (слайд 7)
Слайд 7
Наиболее важным свойством сверхпроводникового материала является так называемый эффект Мейснера (рисунок 2), заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника. (слайд 8)
Слайд 8
Впервые опыт, демонстрирующий присутствие эффекта Мейснера, осуществил советский физик В. К. Аркадьев в 1945 году (слайд 9).
Слайд 9
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 рисуноке 3 (слайд 10).
Слайд 10
А теперь просмотрим видеоролик демонстрирующий эффект Мейснера (слайд 11).
Слайд 11
Интересный факт! Основатель ислама пророк Мухаммед был захоронен в железном гробу. Легенда утверждает, что он висит в воздухе, ибо земля недостойна держать на себе столь святого человека. Какая же сила удерживает в воздухе останки Мухаммеда? Религиозное сказание отвечает кратко: так пожелал Аллах. А народные предания связали это чудо с магнитными силами. В усыпальнице пророка находится якобы особый камень, который и держит в парящем состоянии железный гроб. Сила магнитного притяжения здесь должна быть такой, чтобы ее хватало приподнять гроб над полом, и было недостаточно, чтобы притянуть его к потолку. (слайд 12)
Слайд 12
Теперь послушаем выступление докладчика на тему «Использование сверхпроводников электроэнергетике и транспорте»
Выступает студент с докладом.
Сегодня сверхпроводники практически используются в физике, где уже много лет эксплуатируются крупные исследовательские установки, новые приборы. Известны применения сверхпроводящих электродвигателей, гироскопов, соленоидов на морских судах, летательных аппаратах. В медицине появились сверхпроводящие измерители магнитных полей, создаваемых живыми организмами.
Весьма актуально применение сверхпроводников в энергетике, на транспорте.
Во всем мире ведутся разработки силовых сверхпроводящих кабелей. Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества, так как один такой тонкий кабель способен передавать мощность, которую традиционным методом можно передать с помощью цепи линий электропередач с несколькими более толстыми кабелями (рисунок 4) (слайд 13).
Слайд 13
Так, например, в США уже проходят испытания три кабеля длиной до 600 метров, в энергосетях с напряжением 13,7 – 137 кВ. Ведутся работы по установке сверхпроводящих кабелей, как в Японии, так и Южной Корее в энергосетях от 30 кВ до 153 кВ. Подсчитано, что сверхпроводящее исполнение крупных электроэнергетических установок принесло бы миллиардные выгоды.
Проблемами, препятствующими широкому использованию сверхпроводящих кабелей, являются высокая стоимость кабеля и его обслуживание (через сверхпроводящие линии необходимо постоянно перекачивать жидкий азот). Однако в Нью-Йорке в конце июня 2008 года была запущена первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередач.
В Японии и в странах Европейского Союза ведутся разработки опытных образцов железной дороги со сверхпроводящей магнитной подвеской. Суть ее в том, чтобы поезд двигался без колес. Такой способ движения может обеспечить более высокие скорости движения, чем сейчас. Держать вагон над дорогой и двигать его вперед должно магнитное поле, которое создают установленные в дне вагона сверхпроводящие магниты. Железнодорожный путь представляет собой полосу из уложенных перпендикулярно движению металлических стержней, в которых наводится управляемая с помощью компьютера волна тока, бегущая под вагоном и перед ним. Взаимодействие тока с магнитным полем одновременно тянет вагон вперед и поддерживает просвет между дном вагона и дорогой.
Интересный факт! Первое испытание опытного поезда, использующего уже сверхпроводящие магниты, состоялось в Японии 7 декабря 2005 года. Поезд развил скорость более 500 км/ч (рекорд скорости поезда с магнитной левитацией (MAGLEV) на 01.01.06 составляет 581 км/ч), просвет составил около 10 см (слайд 14).
Слайд 14
Проблема широкого внедрения сверхпроводников в электротехнику сложна и многообразна, но результаты использования сверхпроводников в физических и промышленных установках могут быть огромными.
Календарь знаменательных дат (слайд 15)
1877 год – французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния;
1883 год – польские физики Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота;
1898 год – шотландский физик Джеймс Дьюар получил жидкий водород;
10 июля 1908 года – голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннес был получен жидкий гелий;
8 апреля 1911 года – голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при 4,15 Кельвинах (около −270 0C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю;
1912 год – было обнаружено, что свинец и олово переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах;
январь 1914 год – в результате опытов было доказано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем;
1919 год – было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками;
1933 год – немецкими физиками Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом открыто одно из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников (эффект Мейснера);
1935 год – немецким физиком-теоретиком Фрицем Лондоном дано первое теоретическое объяснение сверхпроводимости;
1950-е годы – открытие сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока;
1986 год – швейцарским физиком Карлом Мюллером и немецким физиком Георгом Беднорц открыт новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных;
1987 год – было доказано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La-Sr-Cu-O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 Кельвинов;
март 1987 года – впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота;
2003 год – открыто керамическое соединение ртути, бария, кальция, меди, кислорода (Hg-Ba-Ca-Cu-O), которому принадлежит рекорд сверхпроводимости. Критическая температура этого соединения равна 138 Кельвинов.
Слайд 15
Слайд 16
III. Закрепление изученного материала
Что такое сверхпроводимость?
Назовите вещества, относящиеся к сверхпроводниковых материалах.
Назовите основные свойства сверхпроводников.
В чем заключается эффект Мейснера?
Назовите области применение сверхпроводниковых материалов. Приведите примеры.
IV. Итог урока
Вопросы рефлексии:
Что узнали нового из урока?
Удалось ли понять и представить явление сверхпроводимости?
Какие моменты урока для вас были наиболее интересными?
Что показалось наиболее трудным на уроке?
Успешно ли применение презентации?
V. Домашнее задание
1. Повторить изученный материал;
2. Подготовить доклады на темы:
«Сверхпроводники I рода. Их свойства»
«Сверхпроводников II рода. Их свойства»
«Высокотемпературная сверхпроводимость. Её применение»
«Использование сверхпроводников медицине»
