Új Szó - Vasárnap, 1977. július-december (30. évfolyam, 27-52. szám)
1977-12-18 / 51. szám
TUDOMÁNY TECHNIKA Az elektromosságtan új felfedezései I. A szupravezetés elmélete Bár az elektromossággal folytatott első kísérletek az ókorba nyúlnak, az anyagok alapvető elektromos tulajdonságait csak egy évezreddel később kezdték komolyan vizsgálni. E kutatások során az első jelentős eredményeket Stephen Gray érte el, aki 250 évvel ezelőtt, 1727-ben felfedezte, hogy töltésvezetés szempontjából az anyagok két nagy csoportra oszhatók: vezetőkre és szigetelőkre. Kísérletei szerint jó vezető tulajdonságokkal a fémek rendelkeznek, az elektromos szigetelők döntő többsége pedig egyben hőszigetelő is. Kísérletei eredményeképpen két évvel később 1729-ben sikerült 400 lábnyi távolságra jő vezető — rézhuzal — segítségével elektromos töltést átvinnie. Ű definiálta elsőként a vezető és a szigetelő közötti különbséget és mondta ki a vezetők jellemző tulajdonságait. Gray ugyan felfedezte, hogy a fémek vezetik a töltést, azt azonban nem tudta, hogy fizikai és vegyi tulajdonságaiknak megfelelően — különbözőképpen. A fémeknek ezeket a tulajdonságait, és az áramvezetés törvényeit Ohm német fizikus fedezte fel és fektette le a róla elnevezett törvényben. E szerint a vezetők állandó hőmérséklet mellett állandó el- lenállásúak. A vezetőn áthaladó áram fordítottan arányos a vezető sarkain levő feszültséggel. Bár szobahőmérsékleten a vezető ellenállása állandó, a hőmérséklettel arányosan valamelyest növekszik. A 19. század fizikusai úgy tudták, hogy ugyanez a helyzet az alacsony hőmérsékleti tartományban is. 1911-ben Kamerlingh Onnes holland fizikus meglepő felfedezésre jutott: nagyon alacsony hőmérsékletre hűtött igen sok anyagnál az abszolút nulla fok közelében (— 273,5 C°) az ellenállás igen kicsi, mérhetetlen értékre, bátran állíthatjuk, hogy nullára csökken. Ez a szupravezetés jelensége. Kamerlingh Onnes azt is megfigyelte, hogy bizonyos hőmérsékletig a fém ellenállása csak enyhén és lineárisan csökken, ez alatt ugrásszerűen eltűnik. Ezt a hőmérsékletet kritikusnak nevezte, amely minden anyagra jellemző, a különböző fémekre más — és más. A holland fizikus első kísérleteit higanynyal végezte. A nagy visszhangot kiváltó szupravezető állapot e fém esetében 4,2°K-nál következett be. .Később bebizonyosodott, hogy a’ fémeken kívül különféle kristálykeverékek, fémes ve- gyületek is szupravezetők lehetnek. A felfedezés azért keltett oly nagy visszhangot, mivel a szupravezető áramkörben indukált áram tetszőleges ideig keringhet csillapítás nélkül, tekintve, hogy az áramkör ellenállása nulla. A jelenség elméleti magyarázata évekig váratott magára és igen sok fejtörést okozott. A klasszikus fizika nem is tudott kielégítő magyarázatot találni erre az abszurdnak tűnő jelenségre. Csupán a több mint egy évtizeddel később, 1926-ban keletkezett kvantummechanika adta meg e jelenség magyarázatát. Kiderült, hogy a fémek belsejében az elektronok a kristályrács atomjaival állandó kölcsönhatásban vannak, ily módon vezetik az áramot. A csökkenő hőmérséklettel a termikus rácsrezgés amplitúdója állandóan csökken, míg egy ponton elhanyagolhatóvá válik. A rezgés amplitúdójának csökkenése következtében az elektronokkal való kölcsönhatás lazábbá válik, ezáltal a fém ellenállása megnő. Azonban az elektron-kristályrács kölcsönhatásainak gyengülésével egy szinte fantasztikus jelenség jön létre: az azonos töltésű elektronok között gyenge vonzerő lép fel, ennek következtében az elektronok kötött párokba rendeződnek. Az elektronok közötti vonzerő valójában nagyon kicsi, ezért kis hőmérsékletemelkedés is elég ahhoz, hogy szétszakítsa a párokat és normális elektronokká változtassa vissza. Ha azonban a hőmérséklet elég alacsony (kritikus alatti), az elektronok igyekszenek a lehető legalacsonyabb energiaszinten maradni, ennek következménye e párba rendeződés. A párok nem kötődnek szorosan egymáshoz, emiatt jelentősen el is távolodhatnak egymástól. Csupán az a törvény érvényesül, hogy a párok átlagos távolsága kisebb, mint egyetlen pár mérete. Az első pillanatban képtelenségnek tűnik, hogy az azonos töltésű elektronok a taszítóerő miatt párokba rendeződhessenek. Hosszú kutatások után végül Bardeen, Cooper és Schriffer bizonyította be és magyarázta meg a párképzés folyamatát, amit a modern fizika egyik diadalaként könyvelhetünk el. A szupravezető ellenállása azért tűnik el, mert minden elektron ugyanabba az állapotba kerül. A közönséges vezetőben folyó áram egyes elektronjai kilökődhetnek az áramlásból, ezáltal rontva az általános áramimpulzust. A szupravezető egyik érdekes tulajdonsága, hogy külső mágneses tér nem képes a szupravezető belsejébe hatolni. Ugyanis, ha a fém belsejében mágneses tér alakulna ki, ez elektromos teret is létesítene, amely áramot kelt. Ez az áram azonban Lenz törvénye értelmében a fluxust csökkentené. Mivel valamennyi elektron együtt mozog, a már meglevő tér olyan áramot kelt, amely elegendő bármely bekapcsolt mágneses tér teljes elnyomásához. Ezzel rokon jelenség az ún. Meiss- ner-effektus. A kiváló tudós nagy hőmérsékletű, normálisan vezető fém belsejében mágneses teret létesített, majd a fémet kritikus hőmérséklet alá hűtötte. Ez alatt a hőmérséklet alatt a fém szupravezetővé vált, megindult saját árama, a külső teret kilökte magából. Mivel a rács atomjai pozitív töltésű hátteret biztosítanak az elektronok áramlásához, szükséges, hogy a töltéssűrűség eloszlása egyenletes legyen, fizikailag csak ekkor lehet az eredő elektromos tér nulla. Ha bármely tartományban összegyűlnek az elektronok, a töltések nem semlegesítik egymást, az elektronokat hatalmas taszítóerő löki szét, a párok szétszakadnak, az igy keletkezett normális elektronok semlegesítik a töltésfelesleget. A szupravezetés kvantummechanikai értelmezését megelőzően ezt a jelenséget H. London és F. London próbálta megmagyarázni. London a Meiss- ner-effektussal kapcsolatban olyan különös következtetésre jutott, amit sokáig tévesnek tartottak. Az általa végzett kísérlet lényege az volt, hogy tömör vezető helyett fémgyűrűt használt, amit mágneses térbe helyezett. A mágneses tér erővonalai merőlegesek voltak a gyűrű síkjára. Normális állapotban a gyűrűben mágneses tér van. A gyűrűt szupravezető állapotra hűtve a mágneses tér kiszorul az anyagból, ugyanakkor a gyűrűnyilásban marad valami fluxus. Ha a külső teret ilyen állapotban kikapcsolják, izgalmas jelenség játszódik le: a gyűrű nyílásán áthaladó erővonalak „csapdába esnek“. Nivel a gyűrű közepén a mágneses fluxus nem változhat meg a tér kikapcsolása után, és az elekV"omos térerősség a gyűrű belsejében nulla, a gyűrűben a tér kikapcsolásának pillanatában áram indul meg. Ez az áram a fém felszíne alatt folyik, a mágneses teret nem engedi be a fém belsejébe, de a foglyul ejtett mágneses teret fenntartja. A „befagyott“ fluxus azonban nem lehet tetszőleges értékű, hanem egy meghatározott alapegység egész számú többszöröse, tehát a fluxus kvantált. Annak ellenére, hogy London nem tudta meghatározni a kvantált, fluxus alapegységét, elméletileg megjósolta annak értékét. Végül 1961- ben Beaver és Fairbank amerikai és velük egyidőben, de tőlük függetlenül Doll és Na- bauer NSZK-beli kutatóknak sikerült a fluxus kvantáltságát bizonyítaniuk. Érdekes jelenség figyelhető meg szigetelőréteggel elválasztott szupravezetők határán. Ezt az elrendezést Josephson-jelen- ségnek nevezik. Ha a szigetelő- réteg elég vastag, az elektronok nem tudnak rajta átmenni, ha azonban vékony, átugrálhatnak rajta. Ez újabb példája annak, hogy a kvantum- mechanikában át lehet hatolni a potenciálgáton. OZOGÁNY ERNŐ Következik: II. A szupravezetés gyakorlata Az opavai Ostroj nemzeti vállalat dolgozói az idén 1500 folyamatosan dúcoló részleget gyártottak a mélyművelésű szénbányák, ebből 1040-et az ostrava-karvinái szénmedence számára. E világszínvonalon gyártott berendezések újabb típusainak fejlesztésében nagy érdeme volt az Ostroj vállalat, az Ostrava-Karvinái Szénmedence Tudományos Kutatóintézete, valamint a Karvinái Május 1. Bánya dolgozóiból szervezett komplex racionalizációs brigád munkájának. A felvételen )iíí Jedliöka mérnök, minőségellenőrző technikus, valamint Anton Sevöík mérnök, a komplex racionalizációs brigád vezetője a 3 méternél vastagabb szénrétegekben használt DVP-8A típusú folyamatosan dúcoló részleg tartóképességének tenzometriai mérését végzi SZABÁS LÉZERREL A számítógépes programnak megfelelően mozgó lézersugár sima, szegést sem igénylő széleket hagyva szab bármilyen szövetet. Az igy előállított darabok semmiben sem különböznek az eredeti mintától. Ez a kísérleti szabászgép leningrádi konfekcióipar szakemberek munkájának eredménye. A lézersugár-eljárás elvileg új lépés a konfekcióiparban. Bármilyen darabot 10 ... 20-szor gyorsabban szab ki a legtapasztaltabb szabásznál is. A ruha mérete vagy fazonja egyszerűen a program cseréivel módosítható, így a konfekció- ipar mozgékonyabbá, rugalmasabbá tehető. Most folynak a kísérleti berendezés termelési próbái. Az eddigi eredmények azt mutatják, hogy a lézersugaras szabás forradalmasltja az egész iparágat. önkenés magas hőmérsékleten A működés közben önmagukat kenő anyagokból készült konstrukciók igen kényelmesen üzemeltethetők, mivel nem igényelnek olajozót, szivattyúkat, olajvezetékeket stb. Eddig azonban főleg műanyagokat tudtak erre a célra alkalmazni, alacsony üzemi hőmérsékleten. Az USA-ban folytatott űrkutatás egyik eredményeként mozgó alkatrészekhez 600—800 Celsius fokon is önkenő anyagot hoztak létre. Anyaguk báriumfluoriddal vagy kálciumfluorid- dal átitatott, nikkel-, kobalt- és vasporból készült ötvözet. Az impregnálást közvetlenül a fogaskerekek, csapágyak és más mozgó alkatrészek porból való kipréselése után végzik el, majd hőkezelés következik. A vékony felületi védőrétegektől eltérően az impregnáló anyag mindig jelen marad és biztosítja a jó kenést. (Engineer) TISZTÍTÁS fénnyel Az újonnan épített létesítmények egyik legnagyobb problémája az ivóvíz fertőtlenítése. A hagyományos tisztítóberendezések nagy befektetéseket igényelnek, s felépítésük viszonylag sokáig tart, s nem utolsósorban az egyik leggyakoribb fertőtlenítési módszer — a klórozás — rontja a víz ízét. Az új moszkvai víztisztító állomás hat szekcióból áll, amelyeket hajlékony csővezeték köt össze. A szekciók közepében kvarcburkolat alatt az ibolyántúli tartományban sugárzó csíraölő lámpák vannak. A kvarc- burkolat és a berendezés fala között áramlik a víz, amely a fény hatására fokozatosan tisztul. A módszer előnye, hogy az így nyert víz azonnal felhasználható, s ize sem romlik. (Technika i Nauka) SZOVJET ÚSZŰ ERŐMŰ A Szovjetunióban megépítették az első 'tengerálló úszótesteken nyugvó erőművet, mely 1977-től a sarki területeken fekvő bányákat fogja árammal ellátni. A Skoda Plzen szakágazati vállalat turbinaüzemében október végén kipróbálták és átadták az Abú Zabí erőműhöz gyártott 6 darab 60 MW-os turbinakomplexumot. A turbinákat az Egyesült Arab Emirátusokban főleg áram- termelésre fogják használni, a gőz egy részét a sótalanítő üzemben hasznosítják, ahol a tengervízből édesvizet készítenek. A hat turbina megrendelése a Skoda Művek nagy sikerének számít, mert több külföldi turbinagyártó vállalat versengett az elnyeréséért. A felvétel az egyik turbina próbaüzemeltetése alkalmából készült, amit a megrendelők jelenlétében hajtottak végre Az egész erőművet a tengeren a parthoz vontatják, lehetőleg az áram felhasználási helyéhez közel; a partnál lehorgonyozzák és olyan különleges vályúba kötik ki, amelyet mesterséges mólók, védőgátak vesznek körül, hogy az erőművet viharoktól védjék. Üzemanyaggal és vízzel való ellátására és a termelt áram átvitele céljából a szárazfölddel vezetékek kötik Össze. A vezetékek, csövek szerelésekor az árapály ingadozásait figyelembe veszik. A telep szerkesztői figyelembe vették azokat a tapasztalatokat, amelyeket a Kolima folyón magasan északon épített erőműnél szereztek. Ennek köszönhető, hogy a beruházási összeg jelentősen csökkent. Az úszó erőmű különös előnye, hogy nagyon gyorsan üzembe helyezhető, és — átmeneti igény esetén — éppen olyan gyorsan másutt vethető be. A berendezést a MAGADAN „Daljsztrojprojekt“ intézetben tervezték. XII. 18. N in
