ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018
НАУКОВО-TEXНІЧНИЙ ПРОГРЕС
XX ст. стало поворотним у розвитку природничих наук, і зокрема фізики. Поява революційної теорії відносності змінила уявлення про фундаментальні закони природи. Разом з ним робота вчених-дослідників мала чимале практичне значення. Сьогодні пріоритетні напрямки розвитку фізики тісно пов’язані з високотехнологічним виробництвом, інформаційними технологіями, екологією тощо. Складна система стосунків між наукою й технологією забезпечує неперервність науково-технічного прогресу, а отже, розвиток людства.
ТЕХНОЛОГІЯ НАДПРОВІДНИХ МАТЕРІАЛІВ
Надпровідність, уперше досліджена 1911 р. нідерландським фізиком Г. Камерлінг-Оннесом, — макроскопічне квантове явище.
Однією з цікавих проблем фізичної науки є дослідження надпровідності, спрямовані на створення «теплих» надпровідників, тобто таких, у яких критична температура (температура переходу в стан надпровідності) максимально віддалена від абсолютного нуля. Розв’язання цієї проблеми — один із найперспективніших напрямків, тому що створення надпровідних ліній електропередач і конструювання надпровідних обмоток для електрогенераторів і для термоядерних реакторів — економічно важливі завдання.
Надпровідність виникає завдяки утворенню пар електронів, що мають протилежні імпульси й магнітні моменти.
Дуже цікаві, навіть парадоксальні результати отримані в останні роки при дослідженні дії магнітного поля на надпровідник. Відомо досить давно, що надпровідник ніби виштовхує слабке магнітне поле через те, що в поверхневому шарі надпровідників знаходяться кругові незгасальні струми, які компенсують дію зовнішнього поля. Але при збільшенні напруженості магнітного поля картина змінюється — надпровідність зникає. І в цьому спочатку була одна з головних складностей технічного застосування надпровідності. Як відомо, сила Лоренца, що діє на частинку під час руху, пропорційна її швидкості. Але в нарах електронів, з яких складається електронний газ надпровідника, орбітальні моменти протилежні. Тому протилежні й напрямки сил Лоренца — вони розривають пару електронів і надпровідність зникає. Усе це правильно в тому випадку, коли враховується тільки орбітальний момент. Але в атома існує ще спіновий магнітний момент. Головну роль у деяких надпровідних сполуках відіграє дія магнітного поля па спіни електронів спеціально уведених у ці сполуки атомів, що компенсує дію зовнішнього магнітного поля. Виходить, магнітне поле може не тільки руйнувати, але й відновлювати надпровідність. Більше того, дослідження останніх років показали, що магнітне поле може також індукувати явище надпровідності.
Вилив магнітного поля на надпровідники має вирішальне значення для їхнього технічного застосування. Наприклад, для втримання плазми в термоядерному реакторі потрібні дуже великі струми в надпровідній обмотці, що створюють магнітні поля значної індукції. Тому тут можуть використовуватися тільки ті речовини, які здатні зберігати явище надпровідності при великому значенні індукції критичного магнітного поля. Але вже й сьогодні явище надпровідності використовується в ряді приладів і установок. Наприклад, уже працюють надчуттєві квантові інтерферометри, що реєструють дуже слабкі поля біологічних об’єктів, у тому числі й людини.
Але важливо створити не тільки речовини, що витримують сильні магнітні поля, але й речовини, економічно вигідні, здатні зберігати свої властивості хоча б при температурах рідкого азоту (близько 78 К), а не при температурах рідкого водню (близько 20 К), який досить дорогий і вибухонебезпечний. Тому фізики й працюють над створенням дедалі «тепліших» надпровідників.
До надпровідників, що мають технічне значення, належать сполуки на основі ніобію — Nb3Sn (критична температура 17-18 К або -195 °С), Nb3Ge (критична температура 21-24 К), Nb3Ga (критична температура 20 К або -253 °С). У надпровідних матеріалів є два основні параметри: індукція критичного магнітного поля, при якій зникає надпровідність, і критична температура. Обидва параметри визначаються внутрішньою будовою надпровідного матеріалу, його кристалічною структурою й хімічним складом.
Для виробництва надпровідного матеріалу застосовуються різні способи. Один з них — метод твердофазної дифузії, що полягає ось у чому: бронзу (сплав міді з оловом) разом з ніобієм піддають холодній обробці, при цьому утворюється композит, який являє собою ніобієві нитки в бронзовій матриці. Цей композит піддають термообробці, при якій олово з бронзи дифундує на поверхню ніобію. На границі розділення ніобій — бронза утворюється станід ніобію (Nb3Sn), тo є надпровідним інтерметалідом.
У 1987 р. були досягнуті принципові успіхи у створенні «теплих» надпровідників. Групами вчених у різних країнах були знайдені сполуки купруму, окисгену й рідких металів, які переходять у надпровідний стан при температурі 100 К (-173 °С), тобто при температурі рідкого азоту. Наступна проблема — створення технологічного надпровідного матеріалу. Коли такі матеріали будуть «на конвеєрі», то просунеться вперед створення надпотужних електромагнітів, ліній передач практично без втрат, нових ЕОМ, що споживають мало енергії й мають кращі характеристики в порівнянні з нині існуючими.
МЕМРАННА ТЕХНОЛОГІЯ
Ця технологія набуває дедалі більшого поширення у різноманітних галузях техніки й виробництва. У її основі лежить використання фізичних і біологічних властивостей природних мембран, що існують практично у всіх живих організмів. Мембрана, як органічна, так і неорганічна, являє собою плівку або пластину, що відокремлює об’єкт від зовнішнього середовища й забезпечує вибіркове проникнення речовин у внутрішні структури. Цим забезпечується очищення від шкідливих речовин, а крім того, виділення продуктів реакцій у навколишнє середовище.
У мембранній технології використовується вплив осмосу, що виникає при поділі напівпроникною мембраною розчину й чистого розчинника. Напівпроникність мембрани полягає в тому, що вона пропускає малі молекули розчинника, але не пропускає більші молекули розчиненої речовини. Осмос відбувається від чистого розчинника до розчину: спостерігається так звана однобічна дифузія розчинника.
Існують хімічні, ядерні, біологічні й механічні мембрани. Перші два види дуже широко застосовуються в мембранній технології. Поділ речовин цими методами, одержання відновних речовин дозволяє вирішити два взаємозалежні завдання: глибше пізнати будову ряду речовин і одержати необхідні в промисловості речовини й матеріали. Залежно від технологічних завдань використовують мембрани, що містять різні молекули або частинки: розміром від 1А до 10А (зворотний осмос); від 10А до 200А (ультрафільтрація); від 200 А до 100 000А (мікрофільтрація).
Найбільш вибірні, оберненоосмотичні мембрани затримують іони, пропускаючи чисту воду. Цим методом на планеті зараз одержують щодоби близько мільйона тонн прісної води. Він також застосовується для очищення стічних вод. Працює метод зворотного осмосу й для потреб електронної промисловості, де необхідна особливо чиста вода.
Використання ультрафільтрів, пори яких у кілька разів більші, ніж в оберненоосмотичних мембранах, дозволяє розділити високомолекулярні й низькомолекулярні продукти. Так, наприклад виділяють високомолекулярні білки.
Мікрофільтри використовують для поділу різних тонких суспензій, наприклад, для видалення бактерій з води.
Дедалі ширше методи мембранної технології застосовуються в медичній промисловості. Одне з головних завдань тут — поліпшення методів очищення біологічних сполук. Низький вихід багатьох медичних технологій пов’язаний з тим, що вплив різних органічних розчинників, високих тисків і температур істотно знижує вихід хімічних реакцій через руйнування нестійких структур і молекул. Включення мембран у технологічний процес дає цілий ряд переваг: повніше витягання біологічно активних речовин при високих температурах, а також одержання медикаментів високої чистоти. Чистота ліків визначається можливостями мембран відокремлювати будь-які домішки. У результаті на лікарський препарат вдається перетворити більшу частину продукту, отриманого при ферментації. Усе це істотно підвищує економічність медичної промисловості.
Навіть при поділі різних газових сумішей, наприклад, повітря, використовують мембрани. Використання полімерної мембрани дозволяє одержати повітря з 40%-ним умістом кисню. Таке повітря необхідне в цілому ряді виробництв. Наприклад, він потрібний для хімічного очищення стічних вод. Використання мембран дозволяє створювати необхідні газові суміші для довгострокового зберігання плодів і овочів.
Дедалі ефективніше використовуються не тільки тверді, але й рідкі мембрани. В останніх перенесення речовини здійснюється між двома рідкими фазами, або через третю рідку фазу, або між рідкою й газоподібною фазами.
Створення рідких мембран — завдання досить складне. Розглянемо один з існуючих класів рідких мембран. Вони являють собою тверду основу з добре розвиненою поверхнею, просочену мембранною фазою. Як основу використовують різні мікропористі речовини — поліетилен, ацетатні волокна, азбест. Капілярні сили втримують мембранну фазу в порах.
Основна перевага рідких мембран така: з їх допомогою речовина розділяється не тільки за розмірами (як з використанням твердих мембран), але й за хімічними властивостями і навіть за просторовим розташуванням атомів. Ця перевага вже починає позначатися в економіці, зокрема при очищенні стічних вод. Наприклад, на гальванічних виробництвах досить багато іонів цінних металів потрапляє в стічні води. Використання рідких мембран дозволяє виокремити ці йони, вирішуючи у такий спосіб дві проблеми — чисто технологічну й екологічну.
Передбачається використання рідких мембран для очищення стічних вод від іонів важких металів — ванадію, цинку, вольфраму. Можливо, будуть також застосовувати їх для розрізнення металів, близьких за своїми властивостях, наприклад, натрію й калію. Рідкі мембрани приходять на допомогу також при вирішенні екологічних проблем енергетики: з викидів енергетичних установок можуть бути виокремлені оксиди сульфуру і нітрогену.
Мембранні технології, як вважають фахівці, мають велике майбутнє. Вони дозволять багаторазово підняти ефективність ряду хімічних і біологічних виробництв. їх використання дасть можливість майже повністю використовувати сировинні ресурси, різко знизити відходи багатьох виробництв. Вони дозволять зберегти енергію й зробити чистішим навколишнє середовище.
