Электроника:Постоянный ток/Физика проводников и диэлектриков/Сверхпроводимость: различия между версиями

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску
Нет описания правки
Нет описания правки
(не показаны 2 промежуточные версии этого же участника)
Строка 5: Строка 5:
=Сверхпроводимость<ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-12/superconductivity/ www.allaboutcircuits.com - Superconductivity]</ref>=
=Сверхпроводимость<ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-12/superconductivity/ www.allaboutcircuits.com - Superconductivity]</ref>=


[[Проводник]]и теряют все своё электрическое сопротивление при охлаждении до сверхнизких температур (вблизи абсолютного нуля, то есть чуть выше, чем [[-273°C]]). Следует понимать, что [[сверхпроводимость]] – это не просто экстраполирование тенденции большинства [[проводник]]ов постепенно терять сопротивление при понижении температуры; скорее, это внезапный квантовый скачок удельного сопротивления от хоть и малого, но конечного значения до вообще нулевого. Сверхпроводящий материал имеет абсолютно нулевое электрическое сопротивление, а не просто очень-очень-очень маленькое.
[[Проводник]]и теряют все своё [[электрическое сопротивление]] при охлаждении до сверхнизких температур (вблизи [[абсолютного нуля]], то есть чуть выше, чем [[-273°C]]). Следует понимать, что [[сверхпроводимость]] – это не просто [[экстраполирование]] тенденции большинства [[проводник]]ов постепенно терять [[сопротивление]] при понижении [[температуры]]; скорее, это внезапный [[квантовый скачок]] [[удельного сопротивления]] от хоть и малого, но конечного значения до вообще нулевого. Сверхпроводящий материал имеет абсолютно нулевое [[электрическое сопротивление]], а не просто очень-очень-очень маленькое.


[[Сверхпроводимость]] впервые обнаружена [[Х. Камерлинг-Оннесом]] в [[Лейденском университете]], что в [[Нидерландах]], в [[1911]] году. За три года до этого, в [[1908]] году, [[Оннес]] разработал метод сжижения газообразного гелия, ставший той средой, с помощью которой можно было переохлаждать экспериментальные объекты до сверхмалых температур, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Решив исследовать изменения в электрическом сопротивлении [[ртути]] при экстремальном охлаждении, учёный обнаружил, что её сопротивление упало до нуля чуть ниже точки кипения жидкого гелия (жидкий гелий кипит при 4,2 К т.е. при [[-268,96°C]]).
[[Сверхпроводимость]] впервые обнаружена [[Х. Камерлинг-Оннесом]] в [[Лейденском университете]], что в [[Нидерландах]], в [[1911]] году. За три года до этого, в [[1908 год]]у, [[Оннес]] разработал метод сжижения [[газообразного гелия]], ставший той средой, с помощью которой можно было переохлаждать экспериментальные объекты до сверхмалых температур, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Решив исследовать изменения в [[электрическом сопротивлении]] [[ртути]] при экстремальном охлаждении, учёный обнаружил, что её [[сопротивление]] упало до нуля чуть ниже точки кипения [[жидкого гелия]] ([[жидкий гелий]] кипит при 4,2 К т.е. при [[-268,96°C]]).


Пока что продолжается научная дискуссия, как именно и почему сверхпроводящие материалы становятся [[сверхпроводник]]ами. Одна теория утверждает, что внутри [[сверхпроводник]]а электроны группируются и перемещаются по двое (так называемые куперовские пары), а не путешествуют независимо по одному, и это как-то связано с перемещением их потока без трения. Достаточно интересно, что другой феномен сверхнизких температур, сверхтекучесть, наблюдается для некоторых жидкостей (особенно хорошо исследован жидкий гелий), что вызывает движение вообще без трения потока молекул.
Пока что продолжается научная дискуссия, как именно и почему сверхпроводящие материалы становятся [[сверхпроводник]]ами. Одна теория утверждает, что внутри [[сверхпроводник]]а [[электрон]]ы группируются и перемещаются по двое (так называемые [[куперовские пары]]), а не путешествуют независимо по одному, и это как-то связано с перемещением их потока без трения. Достаточно интересно, что другой феномен сверхнизких температур, [[сверхтекучесть]], наблюдается для некоторых жидкостей (особенно хорошо исследован [[жидкий гелий]]), что вызывает движение вообще без трения потока [[молекул]].


[[Сверхпроводимость]] обещает необычные возможности для электрических цепей. Если бы сопротивление проводников можно было полностью устранить, не было бы потерь мощности или неэффективности в электроэнергетических системах из-за паразитных сопротивлений. Электродвигатели можно было сделать почти полностью (чуть ли не на 100%) эффективными. Такие компоненты, как конденсаторы и катушки индуктивности, идеальные характеристики которых обычно портятся внутренним сопротивлением проводов, можно было бы сделать идеальными в прямом, а не фигуральном значении этого слова. Уже разработаны некоторые практические сверхпроводящие проводники, двигатели и [[конденсатор]]ы, но их использование в настоящее время ограничено из-за практических проблем, присущих поддержанию сверхнизких температур.
[[Сверхпроводимость]] обещает необычные возможности для электрических цепей. Если бы [[сопротивление]] проводников можно было полностью устранить, не было бы потерь мощности или неэффективности в электроэнергетических системах из-за паразитных сопротивлений. [[Электродвигатели]] можно было сделать почти полностью (чуть ли не на 100%) эффективными. Такие [[компоненты]], как [[конденсатор]]ы и [[катушки индуктивности]], идеальные характеристики которых обычно портятся внутренним сопротивлением проводов, можно было бы сделать идеальными в прямом, а не фигуральном значении этого слова. Уже разработаны некоторые практические сверхпроводящие проводники, [[двигатели]] и [[конденсатор]]ы, но их использование в настоящее время ограничено из-за практических проблем, присущих поддержанию сверхнизких температур.


Пороговая температура для перехода [[сверхпроводник]]а от нормальной проводимости к сверхпроводимости называется температурой перехода (в русскоязычной научной литературе – критическая температура [[сверхпроводник]]а).  
Пороговая температура для перехода [[сверхпроводник]]а от нормальной проводимости к сверхпроводимости называется [[температурой перехода]] (в русскоязычной научной литературе – критическая температура [[сверхпроводник]]а).  


Температуры перехода для «классических» [[сверхпроводник]]ов находятся в криогенном диапазоне (где-то рядом с абсолютным нулём), но уже достигнут значительный прогресс в разработке «высокотемпературных» [[сверхпроводник]]ов, которые обладают сверхпроводимостью при относительно более высоких температурах. Например, керамическая смесь [[иттрия]], [[бария]], [[меди]] и [[кислорода]], имеет температуру перехода аж [[-160°С]]. В идеале [[сверхпроводник]] должен работать в диапазоне температур окружающей среды или, хотя бы, в диапазоне недорогого холодильного оборудования.
Температуры перехода для «классических» [[сверхпроводник]]ов находятся в криогенном диапазоне (где-то рядом с абсолютным нулём), но уже достигнут значительный прогресс в разработке «высокотемпературных» [[сверхпроводник]]ов, которые обладают [[сверхпроводимость]]ю при относительно более высоких температурах. Например, керамическая смесь [[иттрия]], [[бария]], [[меди]] и [[кислорода]], имеет температуру перехода аж [[-160°С]]. В идеале [[сверхпроводник]] должен работать в диапазоне температур окружающей среды или, хотя бы, в диапазоне недорогого холодильного оборудования.


В этой таблице показаны температуры перехода для некоторых распространённых веществ. Температуры даны в кельвинах, которые имеют такой же интервал приращения, что и градусы Цельсия (увеличение или уменьшение на 1 К соответствует той же величине изменения температуры, что и на [[1°C]]), только смещение таково, что 0 K соответствует абсолютному нулю. Таким образом, при работе с температурными значениями не приходится иметь дело с отрицательными числами.
В этой таблице показаны температуры перехода для некоторых распространённых веществ. Температуры даны в [[кельвинах]], которые имеют такой же интервал приращения, что и градусы Цельсия (увеличение или уменьшение на 1 К соответствует той же величине изменения температуры, что и на [[1°C]]), только смещение таково, что 0 K соответствует абсолютному нулю. Таким образом, при работе с температурными значениями не приходится иметь дело с отрицательными числами.


{| class="wikitable" style="margin:0 auto"
{| class="wikitable" style="margin:0 auto"
|-
|-
|| '''Материал'''
! Материал
|| '''Элемент / Сплав'''
! Элемент / Сплав
|| '''Критическая температура (K)'''
! Критическая температура (K)
|-
|-
|| [[Алюминий]]
|| [[Алюминий]]
Строка 77: Строка 77:
{{ads2}}
{{ads2}}


Сверхпроводящие материалы также интересным образом взаимодействуют с магнитными полями. Находясь в сверхпроводящем состоянии, сверхпроводящий материал стремится вытеснить все магнитные поля из объёма [[проводник]]а.  
[[Сверхпроводящие материалы]] также интересным образом взаимодействуют с [[магнитными полями]]. Находясь в сверхпроводящем состоянии, [[сверхпроводящий материал]] стремится вытеснить все [[магнитные поля]] из объёма [[проводник]]а.  


Данное явление, известно как [[эффект Мейснера]]. Однако, если напряжённость магнитного поля превысит критический уровень, сверхпроводящий материал перестанет быть сверхпроводящим. Другими словами, сверхпроводящие материалы теряют свою [[сверхпроводимость]] (независимо от того, до какой температуры они охлаждены), если подвергнуть их воздействию достаточно сильного [[магнитного поля]]. Фактически, присутствие любого магнитного поля понижает критическую температуру любого сверхпроводящего материала: чем больше магнитное поле, тем до более низкой температуры нужно охладить материал, прежде чем он станет сверхпроводящим.
Данное явление, известно как [[эффект Мейснера]]. Однако, если [[напряжённость магнитного поля]] превысит критический уровень, [[сверхпроводящий материал]] перестанет быть [[сверхпроводящим]]. Другими словами, [[сверхпроводящие материалы]] теряют свою [[сверхпроводимость]] (независимо от того, до какой температуры они охлаждены), если подвергнуть их воздействию достаточно сильного [[магнитного поля]]. Фактически, присутствие любого [[магнитного поля]] понижает критическую температуру любого [[сверхпроводящего материала]]: чем больше [[магнитное поле]], тем до более низкой температуры нужно охладить материал, прежде чем он станет [[сверхпроводящим]].


Это ещё одно препятствие для использования [[сверхпроводник]]ов в схемотехнике. Ведь электрический ток, проходящий через любой [[проводник]], создаёт магнитное поле. Несмотря на то, что сверхпроводящий проводник будет иметь нулевое сопротивление для противодействия току, всё равно будет существовать предел того, сколько тока может практически пройти через этот проводник из-за его предела критического магнитного поля.
Это ещё одно препятствие для использования [[сверхпроводник]]ов в [[схемотехнике]]. Ведь [[электрический ток]], проходящий через любой [[проводник]], создаёт [[магнитное поле]]. Несмотря на то, что [[сверхпроводящий проводник]] будет иметь нулевое [[сопротивление]] для противодействия току, всё равно будет существовать предел того, сколько тока может практически пройти через этот проводник из-за его предела критического [[магнитного поля]].


Уже сейчас существует несколько промышленных применений сверхпроводников, особенно после недавнего (в [[1987]] г.) появления керамической смеси иттрий-барий-медь-кислород, для охлаждения которой годится «всего лишь» жидкий азот, а не крайне труднополучаемый жидкий гелий. У поставщиков образовательных услуг можно даже заказать наборы для сверхпроводимости, которые можно использовать в школьных лабораториях (впрочем, сам жидкий азот в такие комплекты не входит, его нужно доставать отдельно). Как правило, эти комплекты демонстрируют сверхпроводимость за счет эффекта Мейснера, когда крошечный магнит левитирует в воздухе над сверхпроводящим диском, охлаждаемым в ванночке с жидким азотом.
Уже сейчас существует несколько промышленных применений [[сверхпроводник]]ов, особенно после недавнего (в [[1987]] г.) появления [[керамической смеси иттрий-барий-медь-кислород]], для охлаждения которой годится «всего лишь» [[жидкий азот]], а не крайне труднополучаемый [[жидкий гелий.]] У поставщиков образовательных услуг можно даже заказать наборы для [[сверхпроводимости]], которые можно использовать в школьных лабораториях (впрочем, сам [[жидкий азот]] в такие комплекты не входит, его нужно доставать отдельно). Как правило, эти комплекты демонстрируют [[сверхпроводимость]] за счет [[эффекта Мейснера]], когда крошечный [[магнит]] [[левитирует]] в воздухе над сверхпроводящим диском, охлаждаемым в ванночке с [[жидким азотом]].


Нулевое сопротивление сверхпроводящих цепей приводит к уникальным следствиям. При сверхпроводящем коротком замыкании можно бесконечно поддерживать большие токи при нулевом приложенном напряжении!
Нулевое [[сопротивление]] сверхпроводящих цепей приводит к уникальным следствиям. При сверхпроводящем [[коротком замыкании]] можно бесконечно поддерживать большие токи при нулевом приложенном напряжении!


[[File:Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток_1_10032021_2107.png|frame|center|'''Рис. 1.''' Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток.|alt=Рис. 1. Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток.]]
[[File:Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток_1_10032021_2107.png|thumb|center|600px|'''Рис. 1.''' Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток.|alt=Рис. 1. Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток.]]


Экспериментально доказано, что по кольцу из сверхпроводящего материала непрерывный ток течёт в течение многих лет без приложенного напряжения. Насколько известно, в современной физике не существует теоретического ограничения по времени, в течение которого ток без влияние извне может поддерживаться в сверхпроводящей цепи. Если вы подумали, что это же вечный двигатель, то так оно и есть! Вопреки распространенному мнению, нет законов физики, запрещающих вечное движение; скорее, запрет наложен на существование любых механизмов или систем, когда производится больше энергии, чем потребляется (для такой гипотетически невозможной машины даже специальное название есть – сверхединичное устройство). В, общем, может это кого и разочарует, но в лучшем случае [[вечный двигатель]] (например, созданный на основании сверхпроводящего кольца) был бы хорош только для хранения энергии, а не для её бесконечной и свободной генерации!
Экспериментально доказано, что по кольцу из сверхпроводящего материала непрерывный ток течёт в течение многих лет без приложенного напряжения. Насколько известно, в современной физике не существует теоретического ограничения по времени, в течение которого ток без влияние извне может поддерживаться в сверхпроводящей цепи. Если вы подумали, что это же [[вечный двигатель]], то так оно и есть! Вопреки распространенному мнению, нет законов физики, запрещающих вечное движение; скорее, запрет наложен на существование любых механизмов или систем, когда производится больше энергии, чем потребляется (для такой гипотетически невозможной машины даже специальное название есть – сверхединичное устройство). В, общем, может это кого и разочарует, но в лучшем случае [[вечный двигатель]] (например, созданный на основании сверхпроводящего кольца) был бы хорош только для хранения энергии, а не для её бесконечной и свободной генерации!


[[Сверхпроводник]]и также предлагают некоторые удивительные возможности, не имеющие ничего общего с [[законом Ома]]. Одной из таких возможностей является создание наноустройства, называемого джозефсоновским переходом (или джозефсоновским контактом). Оно работает как своего рода [[реле]], в котором один ток управляется с помощью другого тока (конечно же, в таком «реле» движущихся частей нет, токи закольцованы в двух [[сверхпроводник]]ах, разделённых тончайшим слоем [[диэлектрик]]а). Небольшие (квантовые) размеры и быстрое время переключения в джозефсоновских переходах могут привести к созданию революционных компьютерных схем, что может стать альтернативой использованию полупроводниковых [[транзистор]]ов.
[[Сверхпроводник]]и также предлагают некоторые удивительные возможности, не имеющие ничего общего с [[законом Ома]]. Одной из таких возможностей является создание наноустройства, называемого джозефсоновским переходом (или джозефсоновским контактом). Оно работает как своего рода [[реле]], в котором один ток управляется с помощью другого тока (конечно же, в таком «реле» движущихся частей нет, токи закольцованы в двух [[сверхпроводник]]ах, разделённых тончайшим слоем [[диэлектрик]]а). Небольшие ([[квантовые]]) размеры и быстрое время переключения в джозефсоновских переходах могут привести к созданию революционных [[компьютерных схем]], что может стать альтернативой использованию полупроводниковых [[транзистор]]ов.


== Итог ==
== Итог ==


* [[Сверхпроводник]]и – это материалы с абсолютно нулевым электрическим сопротивлением.
* [[Сверхпроводник]]и – это материалы с абсолютно нулевым [[электрическим сопротивлением]].
* Все известные в настоящее время сверхпроводящие материалы необходимо охлаждать намного ниже температуры окружающей среды, чтобы они стали [[сверхпроводник]]ами. Максимальная температура, при которой это происходит, называется температурой перехода или критической температурой [[сверхпроводник]]а.
* Все известные в настоящее время [[сверхпроводящие материалы]] необходимо охлаждать намного ниже температуры окружающей среды, чтобы они стали [[сверхпроводник]]ами. Максимальная температура, при которой это происходит, называется температурой перехода или критической температурой [[сверхпроводник]]а.




Строка 114: Строка 114:
[[Категория:Физика диэлектриков]]
[[Категория:Физика диэлектриков]]
[[Категория:Сверхпроводимость]]
[[Категория:Сверхпроводимость]]
[[Категория:Теория]]
[[Категория:Теория по электронике]]

Версия от 13:51, 21 мая 2022

Перевод: Макаров В. (valemak)
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Сверхпроводимость[1]

Проводники теряют все своё электрическое сопротивление при охлаждении до сверхнизких температур (вблизи абсолютного нуля, то есть чуть выше, чем -273°C). Следует понимать, что сверхпроводимость – это не просто экстраполирование тенденции большинства проводников постепенно терять сопротивление при понижении температуры; скорее, это внезапный квантовый скачок удельного сопротивления от хоть и малого, но конечного значения до вообще нулевого. Сверхпроводящий материал имеет абсолютно нулевое электрическое сопротивление, а не просто очень-очень-очень маленькое.

Сверхпроводимость впервые обнаружена Х. Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете, что в Нидерландах, в 1911 году. За три года до этого, в 1908 году, Оннес разработал метод сжижения газообразного гелия, ставший той средой, с помощью которой можно было переохлаждать экспериментальные объекты до сверхмалых температур, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Решив исследовать изменения в электрическом сопротивлении ртути при экстремальном охлаждении, учёный обнаружил, что её сопротивление упало до нуля чуть ниже точки кипения жидкого гелия (жидкий гелий кипит при 4,2 К т.е. при -268,96°C).

Пока что продолжается научная дискуссия, как именно и почему сверхпроводящие материалы становятся сверхпроводниками. Одна теория утверждает, что внутри сверхпроводника электроны группируются и перемещаются по двое (так называемые куперовские пары), а не путешествуют независимо по одному, и это как-то связано с перемещением их потока без трения. Достаточно интересно, что другой феномен сверхнизких температур, сверхтекучесть, наблюдается для некоторых жидкостей (особенно хорошо исследован жидкий гелий), что вызывает движение вообще без трения потока молекул.

Сверхпроводимость обещает необычные возможности для электрических цепей. Если бы сопротивление проводников можно было полностью устранить, не было бы потерь мощности или неэффективности в электроэнергетических системах из-за паразитных сопротивлений. Электродвигатели можно было сделать почти полностью (чуть ли не на 100%) эффективными. Такие компоненты, как конденсаторы и катушки индуктивности, идеальные характеристики которых обычно портятся внутренним сопротивлением проводов, можно было бы сделать идеальными в прямом, а не фигуральном значении этого слова. Уже разработаны некоторые практические сверхпроводящие проводники, двигатели и конденсаторы, но их использование в настоящее время ограничено из-за практических проблем, присущих поддержанию сверхнизких температур.

Пороговая температура для перехода сверхпроводника от нормальной проводимости к сверхпроводимости называется температурой перехода (в русскоязычной научной литературе – критическая температура сверхпроводника).

Температуры перехода для «классических» сверхпроводников находятся в криогенном диапазоне (где-то рядом с абсолютным нулём), но уже достигнут значительный прогресс в разработке «высокотемпературных» сверхпроводников, которые обладают сверхпроводимостью при относительно более высоких температурах. Например, керамическая смесь иттрия, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода аж -160°С. В идеале сверхпроводник должен работать в диапазоне температур окружающей среды или, хотя бы, в диапазоне недорогого холодильного оборудования.

В этой таблице показаны температуры перехода для некоторых распространённых веществ. Температуры даны в кельвинах, которые имеют такой же интервал приращения, что и градусы Цельсия (увеличение или уменьшение на 1 К соответствует той же величине изменения температуры, что и на 1°C), только смещение таково, что 0 K соответствует абсолютному нулю. Таким образом, при работе с температурными значениями не приходится иметь дело с отрицательными числами.

Материал Элемент / Сплав Критическая температура (K)
Алюминий Элемент 1,20
Кадмий Элемент 0,56
Свинец Элемент 7,2
Меркурий Элемент 4,16
Ниобий Элемент 8,70
Торий Элемент 1,37
Олово Элемент 3,72
Титан Элемент 0,39
Уран Элемент 1,0
Цинк Элемент 0,91
Ниобий/Олово Сплав 18,1
Сульфид меди Соединение 1,6

Сверхпроводящие материалы также интересным образом взаимодействуют с магнитными полями. Находясь в сверхпроводящем состоянии, сверхпроводящий материал стремится вытеснить все магнитные поля из объёма проводника.

Данное явление, известно как эффект Мейснера. Однако, если напряжённость магнитного поля превысит критический уровень, сверхпроводящий материал перестанет быть сверхпроводящим. Другими словами, сверхпроводящие материалы теряют свою сверхпроводимость (независимо от того, до какой температуры они охлаждены), если подвергнуть их воздействию достаточно сильного магнитного поля. Фактически, присутствие любого магнитного поля понижает критическую температуру любого сверхпроводящего материала: чем больше магнитное поле, тем до более низкой температуры нужно охладить материал, прежде чем он станет сверхпроводящим.

Это ещё одно препятствие для использования сверхпроводников в схемотехнике. Ведь электрический ток, проходящий через любой проводник, создаёт магнитное поле. Несмотря на то, что сверхпроводящий проводник будет иметь нулевое сопротивление для противодействия току, всё равно будет существовать предел того, сколько тока может практически пройти через этот проводник из-за его предела критического магнитного поля.

Уже сейчас существует несколько промышленных применений сверхпроводников, особенно после недавнего (в 1987 г.) появления керамической смеси иттрий-барий-медь-кислород, для охлаждения которой годится «всего лишь» жидкий азот, а не крайне труднополучаемый жидкий гелий. У поставщиков образовательных услуг можно даже заказать наборы для сверхпроводимости, которые можно использовать в школьных лабораториях (впрочем, сам жидкий азот в такие комплекты не входит, его нужно доставать отдельно). Как правило, эти комплекты демонстрируют сверхпроводимость за счет эффекта Мейснера, когда крошечный магнит левитирует в воздухе над сверхпроводящим диском, охлаждаемым в ванночке с жидким азотом.

Нулевое сопротивление сверхпроводящих цепей приводит к уникальным следствиям. При сверхпроводящем коротком замыкании можно бесконечно поддерживать большие токи при нулевом приложенном напряжении!

Рис. 1. Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток.
Рис. 1. Кольцо из сверхпроводящего материала, по которому течёт вечный ток.

Экспериментально доказано, что по кольцу из сверхпроводящего материала непрерывный ток течёт в течение многих лет без приложенного напряжения. Насколько известно, в современной физике не существует теоретического ограничения по времени, в течение которого ток без влияние извне может поддерживаться в сверхпроводящей цепи. Если вы подумали, что это же вечный двигатель, то так оно и есть! Вопреки распространенному мнению, нет законов физики, запрещающих вечное движение; скорее, запрет наложен на существование любых механизмов или систем, когда производится больше энергии, чем потребляется (для такой гипотетически невозможной машины даже специальное название есть – сверхединичное устройство). В, общем, может это кого и разочарует, но в лучшем случае вечный двигатель (например, созданный на основании сверхпроводящего кольца) был бы хорош только для хранения энергии, а не для её бесконечной и свободной генерации!

Сверхпроводники также предлагают некоторые удивительные возможности, не имеющие ничего общего с законом Ома. Одной из таких возможностей является создание наноустройства, называемого джозефсоновским переходом (или джозефсоновским контактом). Оно работает как своего рода реле, в котором один ток управляется с помощью другого тока (конечно же, в таком «реле» движущихся частей нет, токи закольцованы в двух сверхпроводниках, разделённых тончайшим слоем диэлектрика). Небольшие (квантовые) размеры и быстрое время переключения в джозефсоновских переходах могут привести к созданию революционных компьютерных схем, что может стать альтернативой использованию полупроводниковых транзисторов.

Итог


См.также

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

Внешние ссылки

  1. ↑ www.allaboutcircuits.com - Superconductivity
Теория по электронике
Постоянный ток
Основные концепты электричества • Статическое электричество • Проводники, диэлектрики и поток электронов • Что такое электрические цепи • Напряжение и электроток • Сопротивление • Напряжение и электроток в реальной цепи • Условный ток и поток электронов
Закон Ома • Закон Ома – Как напряжение, сила тока и сопротивление связаны друг с другом • Аналогия для закона Ома • Мощность в электрических цепях • Расчёт электрической мощности • Резисторы • Нелинейная проводимость • Построение цепи • Полярность перепада напряжения • Компьютерная симуляция электрических цепей
Правила электробезопасности • Важность правил электробезопасности • Воздействие электричества на психологическое состояние • Путь, который ток проходит перед ударом • Закон Ома (снова!) • Техника безопасности • Первая медицинская помощь при ударе током • Распространённые источники опасности • Проектирование электроцепей с учётом требований безопасности • Безопасное использование приборов для измерения электрических показателей • Данные о влиянии удара током на тело человека
Экспоненциальная запись и метрические приставки • Экспоненциальная запись • Арифметические операции для экспоненциальной записи • Метрические обозначения • Преобразование метрических приставок • Используем ручной калькулятор • Экспоненциальная форма в программе SPICE
Последовательные и параллельные электрические цепи • Что такое «последовательные» и «параллельные» электрические цепи • Простая последовательная цепь • Простая параллельная цепь • Электропроводность • Рассчитываем мощность • Правильно используем закон Ома • Анализ отказов компонентов цепи • Строим простые резистивные цепи
Схемы с делителями напряжения и правила Кирхгофа • Схемы с делителем напряжения • Правило напряжений Кирхгофа (ПНК) • Цепи – делители тока и формула делителя тока • Правило Кирхгофа для силы тока (ПКТ)
Комбинированные последовательно-параллельные схемы • Что такое последовательно-параллельная цепь • Методы анализа последовательно-параллельных резисторных цепей • Перерисовываем избыточно усложнённые схемы • Анализ отказов компонентов (продолжение) • Построение простых резисторных цепей
Измерения в электрических цепях постоянного тока • Что такое измеритель? • Как устроен вольтметр • Как вольтметр влияет на измеряемую цепь • Как устроен амперметр • Как амперметр влияет на измеряемую цепь • Как устроен омметр • Высоковольтный омметр • Мультиметры • Кельвиновское 4-проводное измерение сопротивления • Мостовые схемы • Как устроен ваттметр • Как самостоятельно сделать ручной калибратор
Сигналы электрического оборудования • Аналоговые и цифровые сигналы • Системы сигналов напряжения • Системы сигналов силы тока • Тахогенераторы • Теромопары • Измерения pH • Тензодатчики
Анализ сети постоянного тока • Что такое сетевой анализ? • Метод токов ветвей • Аналитический метод контурных токов • Метод узловых потенциалов • Введение в сетевые теоремы • Теорема Миллмана • Теорема о суперпозиции • Теорема Тевенена • Теорема Нортона • Эквивалентность схем Тевенена и Нортона • И вновь о теореме Миллмана • Теорема о передаче максимальной мощности • Δ-Y и Y-Δ преобразования
Батареи и системы питания • Поведение электронов при химических реакциях • Батарейные конструкции • Рейтинг батарей • Батареи специального назначения • Практические рекомендации при использовании батарей
Физика проводников и диэлектриков • Введение в физику проводников и диэлектриков • Размеры проводов• Допустимые токовые нагрузки на провода • Предохранители • Удельное сопротивление • Температурный коэффициент сопротивления • Сверхпроводимость • Пробивное напряжение диэлектрика
Конденсаторы • Электрическое поле и ёмкость • Конденсаторы и дифференциальное исчисление • Факторы, влияющие на ёмкость конденсатора • Последовательное и параллельное соединение конденсаторов • Практические соображения - Конденсаторы
Магнетизм и электромагнетизм • Постоянные магниты • Электромангетизм • Единицы измерения магнитных величин • Магнитная проницаемость и насыщение • Электромагнитная индукция • Взаимная индукция
Катушки индуктивности • Магнитные поля и индуктивность • Катушки индуктивности и дифференциальное исчисление • Факторы, влияющие на индуктивность • Катушки индуктивности в последовательных и параллельных соединениях • Практические соображения – Катушки индуктивности
Постоянные времени в RC и L/R цепях • Переходные процессы в электрических цепях • Переходные процессы в цепях с конденсатором • Переходные процессы в цепях с катушкой индуктивности • Расчёт напряжения и силы тока • Почему L/R, а не LR? • Комплексные расчёты напряжения и тока • Сложные схемы • Расчёт неизвестного времени
Переменный ток
Основы теории переменного тока • Что такое переменный ток? • Формы волн переменного тока • Измерение величин переменного тока • Расчёт простейшей цепи переменного тока • Фаза переменного тока • Принципы радио
Комплексные числа • Введение в комплексные числа • Векторы и волны переменного тока • Сложение простых векторов • Сложение сложных векторов • Полярная и алгебраическая запись комплексных чисел • Арифметика комплексных чисел • И ещё по поводу полярности переменного тока • Несколько примеров с цепями переменного тока
Реактанс и импеданс – Индуктивность • Резистор в цепи переменного тока (Индуктивность) • Катушка индуктивности в цепи переменного тока • Последовательные резистивно-индуктивные цепи • Параллельные резистивно-индуктивные цепи • Особенности катушек индуктивности • Что такое «скин-эффект»?
Реактанс и импеданс – Ёмкость • Резистор в цепи переменного тока (Ёмкость) • Конденсатор в цепи переменного тока • Последовательные резистивно-ёмкостные цепи • Параллельные резистивно-ёмкостные цепи • Особенности конденсаторов
Реактанс и импеданс – R/L/C-цепи • Обзор R, X и Z (сопротивление, реактанс и импеданс) • Последовательные R/L/C-цепи • Параллельные R/L/C-цепи • Последовательно-параллельные R/L/C-цепи • Реактивная проводимость и адмиттанс • R/L/C-цепи – что в итоге?
Резонанс • Электрический маятник • Простой параллельный резонанс (колебательный контур) • Простой последовательный резонанс • Применение резонанса • Резонанс в последовательно-параллельных цепях • Добротность и полоса пропускания резонансной цепи
Сигналы переменного тока смешанной частоты • Сигналы переменного тока смешанной частоты - Введение • Прямоугольные волновые сигналы • Другие волновые формы • Подробнее о спектральном анализе • Эффекты в электрических цепях
Фильтры • Что такое фильтр? • Низкочастотные фильтры • Высокочастотные фильтры • Полосовые фильтры • Полосно-заграждающие фильтры • Резонансные фильтры • Подводя итоги по фильтрам
Трансформаторы • Взаимная индуктивность и основные операции • Повышающие и понижающие трансформаторы • Электрическая изоляция • Фазировка • Конфигурации обмотки • Регулировка напряжения • Специальные трансформаторы и приложения • Практические соображения – Трансформаторы
Многофазные цепи переменного тока • Однофазные системы питания • Трёхфазные системы питания • Чередование фаз • Устройство многофазного двигателя • Трёхфазные Y- и дельта-конфигурации • Трёхфазные цепи с трансформатором • Гармоники в многофазных энергосистемах • Гармонические фазовые последовательности
Коэффициент мощности • Мощность в резистивных и реактивных цепях переменного тока • Истинная, реактивная и полная мощность • Расчёт коэффициента мощности • Практическая коррекция коэффициента мощности
Измерение цепей переменного тока • Вольтметры и амперметры переменного тока • Измерение частоты и фазы • Измерение мощности • Измерение качества электроэнергии • Мостовые схемы переменного тока • Измерительные преобразователи переменного тока
Двигатели переменного тока • Введение в двигатели переменного тока • Синхронные двигатели • Синхронный конденсатор • Двигатель с магнитным сопротивлением • Шаговые двигатели • Бесщёточный двигатель постоянного тока • Многофазные асинхронные двигатели Теслы • Асинхронные двигатели с фазным ротором • Однофазные асинхронные двигатели • Прочие специализированные двигатели • Сельсин-двигатели (синхронизированные двигатели) • Коллекторные двигатели переменного тока
Линии передачи • Кабель на 50 Ом? • Электрические цепи и скорость света • Характеристический импеданс • Линии передачи конечной длины • «Длинные» и «короткие» линии передачи • Стоячие волны и резонанс • Преобразование импеданса • Волноводы
Полупроводники
Усилители и активные устройства • От электрики к электронике • Активные и пассивные устройства • Усилители • Коэффициент усиления • Децибелы • Абсолютные дБ-шкалы • Аттенюаторы
Теория твердотельных приборов • Введение в теорию твердотельных устройств • Квантовая физика • Валентность и кристаллическая структура • Зонная теория твёрдых тел • Электроны и «дырки» • P-N-переход • Полупроводниковые диоды • Транзисторы с биполярным переходом • Полевые транзисторы • Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) • Тиристоры • Методы производства полупроводников • Сверхпроводящие устройства • Квантовые устройства • Полупроводниковые приборы в SPICE
Диоды и выпрямители • Диоды и выпрямители – Введение • Проверка диодов мультиметром • Номинальные характеристики диодов • Схемы выпрямителей • Пиковый детектор • Схемы ограничителей напряжения • Схемы фиксаторов уровня • Умножители напряжения (удвоители, утроители, учетверители и т.д.) • Схемы коммутации индуктивных нагрузок • Диодные схемы коммутации • Что такое диод Зенера (стабилитрон)? • Диоды специального назначения • Прочие диодные технологии • Модели диодов в SPICE
Биполярные транзисторы • Транзисторы с биполярным переходом (ТБП) – Введение • Транзистор с биполярным переходом (ТБП) как переключатель • Проверка транзистора с биполярным переходом (ТБП) с помощью мультиметра • Активный режим работы транзистора с биполярным переходом (ТБП) • Усилительный каскад с общим эмиттером • Усилительный каскад с общим коллектором • Усилительный каскад с общей базой • Каскодный усилитель • Методы смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Расчёт смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Взаимодействие входа и выхода в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Обратная связь в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Импеданс усилителя • Токовые зеркала в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Параметры и корпуса транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Особенности транзисторов с биполярным переходом (ТБП)
Полевые транзисторы • Полевые транзисторы (JFET) – Введение • Полевой транзистор (JFET) как переключатель • Проверка полевого транзистора (JFET) с помощью мультиметра • Активный режим работы полевого транзистора (JFET)
Полевые транзисторы с изолированным затвором • Полевые транзисторы с изолированным затвором – Введение • Обедняющие полевые транзисторы с изолированным затвором • Биполярные транзисторы с изолированным затвором
Тиристоры • Гистерезис • Газоразрядные лампы • Диод Шокли (динистор) • DIAC (симметричный динистор) • Управляемый кремниевый выпрямитель (SCR-тиристор) • TRIAC (симметричный тринистор, триак) • Оптотиристоры • Однопереходной транзистор • Управляемый кремниевый коммутатор (SCS-тиристор) • Тиристоры с полевым управлением
Операционные усилители • Операционные усилители (ОУ) – Введение • Несимметричные и дифференциальные усилители • «Операционный» усилитель • Отрицательная обратная связь • Делитель напряжения в цепи обратной связи • Аналогия для делителя напряжения в цепи обратной связи • Преобразование сигнала напряжения в сигнал тока • Схемы усреднителя и сумматора • Построение дифференциальных усилителей • Инструментальный (измерительный) усилитель • Схемы дифференциатора и интегратора • Положительная обратная связь • Практические аспекты ОУ • Модели операционных усилителей
Практические аналоговые полупроводниковые схемы • Электростатический разряд • Схемы источников питания • Схемы усилителей • Осцилляторные схемы • Радиосхемы • Вычислительные схемы • Измерительные схемы
Приводы двигателей постоянного тока • Широтно-импульсная модуляция
Электронные лампы • Электронные лампы – Введение • История электронных ламп – с чего всё началось • Триод • Тетрод • Силовой лучевой тетрод • Пентод • Комбинированные электронные лампы • Характеристики электронных ламп • Ионизированные (газовые) электронные лампы • Индикаторные электронные лампы • Микроволновые электронные лампы • Сравниваем электронные лампы и полупроводники
Цифровая электроника
Системы счисления • Числа и способы их выражения • Системы счисления • Сравниваем десятеричные и двоичные числа • Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления • Восьмеричные и шестнадцатеричные числа преобразовываем в десятеричные • Преобразование из десятеричной системы счисления
Двоичная арифметика • Числа и системы счисления • Двоичное сложение • Отрицательные двоичные числа • Двоичное вычитание • Двоичное переполнение • Наборы битов
Логические вентили • Цифровые сигналы и вентили • Вентили «НЕ» • «Буферные» вентили • Вентили с более чем одним входом • Транзисторно-транзисторная логика вентилей «И-НЕ» и «И» • Транзисторно-транзисторная логика вентилей «ИЛИ-НЕ» и «ИЛИ» • Схемы КМОП-вентилей • Специальные выходы в вентилях • Универсальность вентилей «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» • Уровни напряжения для «высоких» и «низких» логических сигналов • Вентильные DIP корпусы
Переключатели • Типы переключателей • Как устроены контакты переключателей • «Нормальное» состояние контакта и последовательное замыкание/размыкание • «Дребезжание» контактов
Электромеханические реле • Устройство реле • Контакторы • Реле с задержкой времени • Защитные реле • Твердотельные реле
Релейная логика • «Лестничные» диаграммы • Функции цифровой логики • Разрешающие и блокирующие схемы • Схемы управления двигателем • Отказоустойчивость • Программируемые логические контроллеры (ПЛК)
Булева алгебра • Булева алгебра – Введение • Логическая арифметика • Булевы алгебраические тождества • Булевы алгебраические свойства • Логические правила для упрощения • Примеры упрощения схем • Функция «Исключающее ИЛИ»: вентиль XOR • Законы де Моргана • Преобразование таблиц истинности в логические выражения
Карты Карно • Карты Карно – Введение • Диаграммы Венна и множества • Булевы соотношения на диаграммах Венна • Преобразование диаграмм Венна в карты Карно • Карты Карно, таблицы истинности и логические выражения • Упрощение логики с помощью карт Карно • Бо́льшие карты Карно с 4-мя переменными • Минтермы и макстермы в реализациях • Обозначения сумм и произведений • Поля «безразличия» на картах Карно • Бо́льшие карты Карно с 5-ю и 6-ю переменными
Функции комбинационной логики • Функции комбинационной логики – Введение • Неполный сумматор • Полный сумматор • Декодер • Кодер • Демультиплексоры • Мультиплексоры • Совместное использование множественных комбинационных схем
Мультивибраторы • Цифровая логика с обратной связью • SR-защёлка • Вентильная SR-защёлка • D-защёлка • Защёлки с запуском по фронту сигнала: триггеры • JK-триггер • Триггеры с асинхронными входами • Моностабильные мультивибраторы
Схемы последовательностей • Двоичная счётная последовательность • Асинхронные счётчики • Синхронные счётчики • Конечные автоматы
Сдвиговые регистры • Сдвиговые регистры – Введение • Сдвиговые регистры: последовательный вход, последовательный выход (SISO) • Сдвиговые регистры: параллельный вход, последовательный выход (PISO) • Сдвиговые регистры: последовательный вход, параллельный выход (SIPO) • Универсальные сдвиговые регистры: параллельный вход, параллельный выход (PIPO) • Кольцевые счётчики
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования • Цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразования – Введение • ЦАП R/2nR: цифро-аналоговый преобразователь с двоично-взвешенным входом • ЦАП R/2R: (цифро-аналоговый преобразователь) • Параллельные АЦП • Цифровые ступенчатые АЦП • АЦП с последовательным приближением • Отслеживающий АЦП • Скатные (интегрирующие) АЦП • Дельта-сигма АЦП • Практические аспекты схем АЦП
Цифровая связь • Цифровая связь – Введение • Сети и шины • Потоки данных • Типы электрических сигналов • Оптическая передача данных • Топология сети • Сетевые протоколы • Практические аспекты цифровой связи
Цифровое хранилище (память) • Почему «цифровое»? • Понятия и концепции цифровой памяти • Современная немеханическая память • Устаревшие немеханические технологии памяти • Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) • Память с движущимися частями: «Приводы»
Принципы цифровых вычислений • Двоичный сумматор • Таблицы поиска • Конечные автоматы • Микропроцессоры • Микропроцессорное программирование
Справочные материалы
Полезные уравнения и коэффициенты пересчёта • Уравнения и законы для цепей постоянного тока • Правила последовательных цепей • Правила параллельных цепей • Эквивалентные значения компонентов в последовательных и параллельных цепях • Уравнение ёмкости конденсатора • Уравнение катушки индуктивности • Уравнения постоянной времени • Уравнения цепей переменного тока • Уравнения для децибел • Метрические приставки и преобразования единиц измерения
Цветовая маркировка • Цветовая маркировка резисторов • Цветовая маркировка проводки • Инфографика цветовой маркировки проводки
Таблицы проводников и диэлектриков • Таблица калибров медной проволоки • Таблица допустимых нагрузок для медного провода • Коэффициенты удельного сопротивления • Таблица температурных коэффициентов сопротивления • Критические температуры для сверхпроводников • Диэлектрическая прочность изоляторов
Справочник по алгебре • Основные алгебраические тождества • Основные свойства арифметики • Свойства степеней • Извлечение корней • Важные константы • Логарифмы • Формулы сокращённого умножения • Квадратное уравнение • Прогрессии • Факториалы • Решение систем уравнений: метод подстановки и метод сложения
Справочник по тригонометрии • Тригонометрия прямоугольного треугольника • Тригонометрия произвольного треугольника • Тригонометрические формулы • Гиперболические функции
Справочник по исчислению • Формулы вычисления пределов • Производная числа • Общие производные • Производные показательных функций с основанием e • Производные простых тригонометрических функций • Правила вычисления производных • Первообразная (неопределённый интеграл) • Общие первообразные • Первообразные показательных функций от числа e • Правила вычисления первообразных • Определённые интегралы и основная теорема исчисления • Дифференциальные уравнения
Использование программы SPICE для моделирования электрических схем • Программа моделирования электрических цепей SPICE — Введение • История программы SPICE • Основы программирования в SPICE • Интерфейс командной строки • Компоненты электрических схем • Опции для проведения анализа • Странные особенности программы SPICE • Примеры электрических цепей и списков связей
Устранение неполадок – теория и практика • Вопросы, которые следует задать, прежде чем продолжить • Общие советы по устранению неполадок • Конкретные методы устранения неполадок • Вероятные сбои в проверенных системах • Вероятные сбои в непроверенных системах • Возможные ментальные ловушки
Схематические обозначения элементов цепи • Провода и соединения • Источники питания • Типы резисторов • Типы конденсаторов • Катушки индуктивности • Взаимные катушки индуктивности • Переключатели с ручным управлением • Управляемые процессом переключатели • Переключатели с электрическим приводом (реле) • Соединители • Диоды • Биполярные транзисторы • Переходные транзисторы с полевым эффектом (JFET) • Транзисторы с полевым эффектом с изолированным затвором (IGFET или MOSFET) • Гибридные транзисторы • Тиристоры • Интегральные схемы • Электронные лампы
Периодическая таблица химических элементов • Таблица Менделеева
Эксперименты
Введение • Электроника как точная наука • Обустраиваем домашнюю лабораторию
Основные концепции и испытательное оборудование • Использование вольтметра • Использование омметра • Очень простая схема • Использование амперметра при измерении силы тока • Закон Ома • Нелинейное сопротивление • Рассеяние мощности • Цепь с переключателем • Эксперимент по электромагнетизму • Эксперимент с электромагнитной индукцией
Электрические цепи постоянного тока • Электрические цепи постоянного тока – Введение • Последовательные источники питания • Параллельные источники питания • Делитель напряжения • Делитель тока • Потенциометр как делитель напряжения • Потенциометр как реостат • Прецизионный потенциометр • Ограничение диапазона реостата • Термоэлектричество • Мультиметр своими руками • Чувствительный детектор напряжения • Потенциометрический вольтметр • 4-проводное измерение сопротивления • Простейший компьютер • Картошка-батарейка • Зарядка и разрядка конденсатора • Индикатор скорости изменения
Электрические цепи переменного тока • Электрические цепи переменного тока – Введение • Трансформатор – блок питания • Сборка трансформатора • Переменный индуктор • Чувствительный аудиодетектор • Обнаружение магнитных полей переменного тока • Обнаружение электрических полей переменного тока • Альтернатор – автомобильный генератор • Асинхронный двигатель • Асинхронный двигатель побольше • Фазовый сдвиг • Погашение звука • Музыкальный синтезатор как генератор сигналов • ПК-осциллограф • Анализ волновых сигналов • Колебательный контур • Сигнальная связь
Дискретные полупроводниковые схемы • Дискретные полупроводниковые схемы – Введение • Коммутирующий диод • Полупериодный выпрямитель • Двухполупериодный мостовой выпрямитель • Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом • Цепь «выпрямитель/фильтр» • Регулятор напряжения • Транзистор как переключатель • Датчик статического электричества • Датчик импульсного света • Повторитель напряжения • Усилитель с общим эмиттером • Многокаскадный усилитель • Как построить схему токового зеркала • JFET – регулятор тока • Дифференциальный усилитель • Простой операционный усилитель • Аудио осциллограф • Ламповый аудио усилитель
Аналоговые интегральные схемы • Аналоговые интегральные схемы – Введение • Компаратор напряжения • Прецизионный повторитель напряжения • Неинвертирующий усилитель • Высокоимпедансный вольтметр • Интегратор • Аудио осциллограф на таймерной схеме 555 • Наклонный генератор на таймерной схеме 555 • ШИМ-контроллер мощности • Аудиоусилитель класса B
Цифровые интегральные схемы • Цифровые интегральные схемы – Введение • Основная функция вентилей • SR-защёлка на основе вентилей «ИЛИ-НЕ» • SR-защёлка на основе вентиля «И-НЕ» с входом разрешения • SR-триггер на основе вентиля «И-НЕ» • Светодиодный секвенсор • Простейший кодовый замок • 3-битный двоичный счётчик • 7-сегментный дисплей
Таймерные схемы 555 • Интегральный таймер 555 • Триггер Шмитта на интегральном таймере 555 • Гистерезисный осциллограф на интегральном таймере 555 • Моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555 • Минимальное количество комплектующих для КМОП-схемы 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на синих светодиодах • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на светодиодах обратного хода • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Электроника:Постоянный_ток/Физика_проводников_и_диэлектриков/Сверхпроводимость&oldid=2300846