Zastosowanie nadprzewodników - nadprzewodzące przewody
|
|
Zależność oporu nadprzewodnika od temperatury na przykładzie dwuborku magnezu
|
Nadprzewodniki niskotemperaturowe, odkryte w 1911 roku, mają własności nadprzewodzące w temperaturach poniżej 30K (-240°C) i należą do nich metale i stopy metali. Niestety aby utrzymać ich własności trzeba je nieustannie chłodzić ciekłym helem, który jest drogi). Własności tej grupy nadprzewodników można wytłumaczyć za pomocą teorii BSC, która zakłada, że poniżej temperatury krytycznej elektrony łączą się w pary Coopera, dzięki czemu mogą się przemieszczać bez rozpraszania energii. W 2001 roku odkryto, że nadprzewodnikiem pierwszego rodzaju jest również dwuborek magnezu (diborek magnezu) w temperaturze 40K (-233°C). Jest to bardzo obiecujący materiał bowiem taką temperaturę można osiągnąć oziębiając materiał w ciekłym neonie lub ciekłym wodorze, a nawet w chłodziarce z zamkniętym obiegiem co jest tańsze niż chłodzenie ciekłym helem.
Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe (ich temperatury krytyczne są wyższe od 40K) odkryte w 1986 roku, wykazują materiały składające się z tlenków miedzi o charakterze ceramik. Najwyższą temperaturę krytyczną, wynoszącą około 130K (-143°C) ma tlenek rtęciowo-barowo-wapniowo-miedziowy. Te materiały można chłodzić ciekłym azotem o temperaturze 78K (-195°C), który jest bardzo tani. Materiały ceramiczne niestety mają wady, z powodu budowy warstwowej są kruche i łatwo korodują, co utrudnia ich przemysłowe zastosowanie. Mimo wysiłków do tej pory nie zdołano wytłumaczyć dlaczego tlenki miedzi są nadprzewodnikami.
|
|
Przewody nadprzewodzące:
1 Taśma oplatająca chroni kabel
przy pracach instalacyjnych;
2 Izolacja elektryczna; 3 Izolacja
cieplna; 4 Taśma nadprzewodząca;
5 Elastyczny kanał dla ciekłego azotu
|
Szczególne zainteresowanie budzi możliwość przesyłania prądu bez strat. Od maja 2001 roku w Danii energia elektryczna zaczęła docierać do 15 000 domów za pośrednictwem kabli nadprzewodzących, zainstalowanych w podstacji Kopenhagi. Od listopada około 30000 domów w Detroit poszło śladem Duńczyków. W projektach z Kopenhagi i Detroit wykorzystano kable energetyczne, w których specjalna nadprzewodząca ceramika (nadprzewodnik wysokotemperaturowy) jest chłodzona ciekłym azotem. W zwykłych kablach z żyłą miedzianą występują straty wynikające z określonej wartości oporności właściwej tych materiałów. Straty te wynoszą nawet parę procent przesyłanej energii. Zmniejszenie tych strat jest możliwe poprzez zmniejszanie oporności kabli przesyłowych, co w przypadku miedzi lub aluminium wymaga zwiększania przekroju żył, a zatem ich masy. Dlatego też chociaż koszt produkcji kabli nadprzewodzących jest wyższy, aniżeli kabli tradycyjnych, to potrzeba ich znacznie mniej. Zakładając dalszy rozwój tej nowoczesnej technologii i potanienie kabli nadprzewodzących, w miarę zwiększania ich produkcji masowej, można liczyć na to, że staną się one niebawem silną konkurencją dla miedzi.
Zasada działania lasera
|
|
Emisja wymuszona
|
Elektrony w atomach i strukturach krystalicznych ciał stałych mogą przyjmować tylko ściśle określone wartości. W ciałach stałych te wartości nazywamy poziomami energetycznymi. Ostatni poziom jaki może przyjmować elektron w stanie niewzbudzonym czyli normalnym nazywamy poziomem podstawowym.
Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości (rysunek po lewej stronie). Proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 roku. Pierwszy laser, którego nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskiego zwrotu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation co w polskim tłumaczeniu brzmi "Wzmocnienie światła prze wymuszoną emisję promieniowania" zbudował dopiero w 1960 roku przez T. Maimana.
|
|
Zasada działania lasera rubinowego
|
Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.
Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład używane do spawania, w medycynie np. chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji cyfrowej.
|
|
Schemat lasera rubinowego
|
Laser rubinowy
Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL2O3), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę ponieważ absorbują one żółto-zieloną część widma. Rolę aktywną a laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego podstawy są polerowane płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym współczynniku odbicia, druga ma odbicie około 50%. Tak przygotowany kryształ umieszczony jest w lampie błyskowej. Schemat poziomów energetycznych w rubinie przedstawia animacja zamieszczona wyżej. Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów z poziomu E1 w stan E2, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na poziomie E2 jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energia
zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być chłodzony) na poziom E3. Średni czas życia na poziomie E3 jest dość długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe przechodzenie elektronów do stanu E3. Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń.Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Taką komorę tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstotliwości rezonansowej, poruszającego się równolegle do osi pręta, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza bowiem emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a powstała przy tym wiązka fotonów odbijając się wiele razy od przeciwległych powierzchni lustrzanych oddziałuje z nowymi wzbudzonymi atomami i wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu natężenia promieniowania laserowego.
Światło wysyłane przez laser rubinowy ma kolor
czerwony, odpowiadający długości fali A = 694,3 nm. Laser rubinowy pracuje impulsowo.Obecnie częściej buduje się lasery oparte na innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy gdzie szkło, kryształy fluorku wapnia lub inne materiały domieszkowane są neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala na uzyskanie w impulsie dużych mocy. W podobny sposób jak laser neodymowy działają lasery, w których w różnych osnowach krystalicznych centami są jony metali ziem rzadkich.
Laser gazowy
Odwrócenie obsadzeń poziomów jako przygotowanie do akcji laserowej w gazach może być uzyskane przez wyładowanie elektryczne. Ogromne znaczenie mają wówczas atomy w stanach metatrwałych, ich energia może być przekazana w zderzeniach atomom lub cząsteczkom właściwego ośrodka laserującego. Tak jest właśnie w laserze helowo-neonowym (He-Ne), w którym ciałem roboczym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu cząstkowym helu około 130 Pa i neonu ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Najważniejsze jednak dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.
W czasie trwania akcji laserowej wyładowanie stale podtrzymuje różnicę obsadzeń, otrzymuje się zatem o akcję laserową o działaniu ciągłym. Innymi laserami gazowymi są laser argonowy i laser, którego czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla.
Laser półprzewodnikowy
Laser półprzewodnikowy czyli dioda laserowa działa podobnie jak diody świecące LED (skrót od angielskiego light emitting diode). Diody LED zamieniają energię elektryczną na światło widzialne lub promieniowanie podczerwone. Źródłem światła jest złącze półprzewodnikowe n-p. Światło powstaje w wyniku tego, że elektrony w paśmie przewodnictwa są pobudzane do rekombinacji z dziurami w paśmie walencyjnym. Gdy zachodzi to zjawisko, elektrony oddają energię odpowiadającą przerwie wzbronionej i następuje świecenie. Do tych celów przydatne są takie materiały jak arsenek galu lub azotek galu, a obecnie częściej cienkie warstwy półprzewodników. Diody LED wysyłają światło niespójne i nie do końca monochromatyczne. Aby powstał laser należy tak uformować układ aby powstał rezonator optyczny. Gdy do złącza będą wstrzykiwane duże ładunki to może w nim powstać proces laserowy i w wyniku wymuszonych przejść z pasma przewodnictwa do walencyjnego generuje się spójna wiązka światła. Zwierciadłami lasera mogą być krawędzie kryształu. Lasery półprzewodnikowe mogą być miniaturowe i nie przekraczają długości 1 mm. Nie jest to na ogól jednak wiązka skupiona i o stosunkowo małej mocy.
Omówimy obecnie budowę najprostszego lasera półprzewodnikowego dostępnego w sklepach elektrycznych.
Średnica soczewki (około 5 mm) określa
maksymalną średnicę skolimowanej wiązki.
Dioda ma ustalone położenie, położenie soczewki może być regulowane przez zmianę położenia wkręcanej przesłony kołowej (przesłona ta ogranicza również średnicę wiązki do
około 2,5-3 mm).
Zewnętrzna, wymienna nasadka służy do
wyświetlania rozmaitych rysunków. Działa na zasadzie siatki dyfrakcyjnej (kwadratowa sieć jednakowych symboli graficznych).
Podstawowym elementem konstrukcyjnym
lasera jest metalowy korpus, w którym umocowana jest płytka drukowana z diodą laserową, a z przedniej strony wkręcona jest
przesłona kołowa i nakręcona wymienna nasadka. We wnętrzu korpusu umieszczona jest
soczewka (dociskana do przesłony kołowej za
pomocą sprężyny). Korpus umocowany jest na
wcisk w aluminiowej rurce stanowiącej obudowę zewnętrzną.
Dioda jest zasilana napięciem 4,5 V z trzech
baterii pastylkowych przez sprężynę kontaktową, niestabilny mikrowyłącznik i rezystor.Istnieje wiele innych rodzajów laserów takich jak: jonowe, molekularne, barwnikowe, chemiczne, których tutaj nie omawiamy.
W dziale "Doświadczenia domowe" opisano i przedstawiono na filmach trzy doświadczenia z użyciem lasera: Światłowód ze strumienia wypływającej wody, Rozpraszanie światła w roztworze koloidalnym, Świetlne miecze czyli rozpraszanie światła na kropelkach wody
Przy opracowaniu tematu najwięcej korzystano z następujących publikacji:
Peter Lafferty, Siły natury;
Encyklopedia fizyki współczesnej;
Czesław Bobrowski, Fizyka - krótki kurs;
Zygmunt Przeniczny, Na przykładzie kawałka rubinu, Fizyka w Szkole 1/2003;
Leszek Kotlarz, Doświadczenia z laserem, Fizyka w Szkole 1/2003.
 |
|
Krzemowe lasery działające z falą ciągłą
|
Pierwszy laser krzemowy
Krzem jest półprzewodnikiem stosowanym we współczesnej elektronice, między innymi z niego robi się komputerowe mikroprocesory. Ale wszędzie tam, gdzie potrzebne jest laserowe światło, a więc w komunikacji światłowodowej, czy w odtwarzaczach CD, do tej pory stosowano inne półprzewodniki, np. arsenek galu czy fosforek indu. Są one dobrym źródłem światła ze względu na swoje własności fizyczne, lecz są dużo droższe i trudniejsze w obróbce niż krzem.
W "tradycyjnych" laserach gromadzi się energię, która służy do przyspieszenia skupionej wiązki. Krzem jednak rozprasza i absorbuje światło. Na przeszkodzie stał fakt, że niektóre elektrony z krzemu absorbują energię konieczną do nadania wiązce odpowiedniego przyspieszenia. Inżynierowie Intela zbudowali więc urządzenie, które usuwało "przeszkadzające" elektrony. Po raz pierwszy zaprezentowano taki laser wykorzystujący krzem w drugiej połowie 2004 roku. Eksperymentalne urządzenie wytwarzało jednak wiązkę pulsacyjną, a do założonych przez inżynierów Intela celów konieczny był laser z wiązką ciągłą. W końcu na początku 2005 roku badacze z laboratorium Intela skonstruowali laser z krzemu działający z falą ciągłą. Intel kontynuuje badania nad laserem, a jego specjaliści pracują też nad połączeniem go z opracowanym wcześniej krzemowym modulatorem optycznym, co umożliwi zastosowanie lasera w obecnie wykorzystywanej infrastrukturze telekomunikacyjnej.
To zapowiedź rewolucji w komputerach i telekomunikacji. Dzięki temu wkrótce mogą powstać dużo tańsze nadajniki oraz wzmacniacze światła używane w telekomunikacyjnych światłowodach. Innym zastosowaniem wynalazku byłyby lepsze komputery. Żeby zwiększyć szybkość ich działania, inżynierowie starają się dziś upchać w mikroprocesorze coraz więcej tranzystorów (miliony na jednym centymetrze kwadratowym). Ale już za kilka lat dotrą do granicy możliwości takiego upakowania. Winne są temu elektroniczne sygnały, które biegną po miedzianych połączeniach między milionami tranzystorów - nie będą w stanie nadążyć z obsługą elektronicznego ruchu. Wyjściem byłoby zastąpienie metalowych połączeń światłowodami, bo wtedy sygnały rozchodziłyby się w mikroprocesorze z prędkością światła, czyli największą możliwą w naturze. Do tego jednak potrzeba źródeł światła, które będzie można wykonać na tej samej krzemowej płytce i w tej samej technologii co cały mikroprocesor. I to właśnie jest teraz celem prac naukowców z Intela.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i artykułu zamieszczmego na stronie czasopisma Chip
| Następna » |