РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОДІЇ КВАЗІСТАТИЧНОГО МАГНІТНОГО ПОЛЯ З МАСИВНИМИ ПТ ВТНП МАТЕРІАЛАМИ
Велика різноманітність макроскопічних магнітних властивостей обумовлює велику кількість застосувань високотемпературних надпровідників, а значний прогрес у способах їх отримання та безупинне поліпшення властивостей ВТНП дозволяє знаходити все нові шляхи для їх застосування у науці та техніці. Для застосування масивних ВТНП дуже перспективним є побудова великомасштабних систем (роторів, двигунів, інерційних накопичувачей енергії, левітаторів тощо), особливо після становлення технології отримання масивних плавлено- текстурованих ВТНП. Для успішного застосування масивних плавлено- текстурованих ВТНП у великомасштабних системах необхідно створити прості та надійні методи дослідження макроскопічних магнітних властивостей, та цими методами дослідити ці надпровідники. Серед усіх методів дослідження макроскопічних магнітних властивостей масивних ВТНП слід виділити безконтактні методи. Завдяки своїй неруйнівній природі, цими методами можливо проводити всебічні дослідження зразків та залишати їх для вивчення іншими методами. Безконтактні методи спричинюють найменший вплив на досліджуваний зразок, що, наприклад, дозволяє адекватно вивчати процеси деградації у ВТНП. Особливе місце серед безконтактних методів дослідження макроскопічних магнітних властивостей ВТНП посідають левітаційні методи. Результати, що отримують цими методами, мають безпосередній практичний вихід на застосування. Однак здебільшого пояснення властивостей левітаційних систем проводиться за допомогою простих моделей, зокрема моделі абсолютно жорсткого надпровідника. Відчувається брак моделей, щоб враховували внесок більш тонких ефектів, таких як розподіл критичного струму у масивних надпровідниках, що знаходяться у зовнішньому магнітному полі.
2.1. Метод визначення левітаційної сили.
Вимірювання левітаційної сили є важливим безконтактним методом вивчення магнітних властивостей надпровідників. Такі вимірювання, насамперед, дають силову інформацію, яка має безпосереднє практичне значення. Ідея дослідження за допомогою вимірювання левітаційної сили [106, 108] виникла одразу після відкриття ВТНП, оскільки дослідження проводились при температурі рідкого азоту, і система не вимагала складної охолоджувальної техніки. Однак методи вимірювання левітаційних сил набули справжньої актуальності лише після успішного розвитку технології отримання масивних плавлено- текстурованих ВТНП матеріалів, здатних нести значні критичні струми. Вже зараз плавлено- текстуровані ВТНП здатні нести критичні струми густиною порядку 105А/см 2 [82].
У досліджені великомасштабних систем [101], що є найбільш перспективною галуззю застосування масивних ВТНП, вимірювання левітаційних сил відіграє подвійну роль джерела інформації стосовно квазістатичних процесів у левітаційних системах, та неруйнівного експрес-методу з тестування ВТНП зразків. У більшості випадків подібне тестування проводиться у термінах максимальної левітаційної сили , що, зрозуміло, не надає можливості ані пов'язати ці дослідження з результатами інших експериментальних методик, ані порівняти результати різних дослідницьких груп. Одним з шляхів у напрямку розв'язання останньої проблеми є уніфікація вимірювального методу. Отже зрозумілою є актуальність створення такого підходу, що визначав би зв'язок між левітаційними силами, що діють у системі, та фізичними характеристиками ВТНП- зразків [109].
В основу левітаційних методів дослідження покладено вивчення взаємодії надпровідника та магнітного поля, що створюється у переважній більшості геометрій постійним магнітом. У загальному вигляді установку для вимірювання левітаційної сили схематично можна зобразити наступним чином, див. рис 2.1.
Рис. 2.1. Схематичне зображення методу вимірювання левітаційної сили.
Зразок занурюється у рідкий азот, розміщуючись у кюветі, магнітне поле створюється постійним магнітом. В залежності від поставленої задачі, зразок охолоджується нижче критичної температури у відсутності магнітного поля (так званий ZFC), або у магнітному полі магніту (так званий FC). Постійний магніт приєднується до системи позиціювання та датчика сили. В експерименті реєструють залежність сили від відстані між надпровідником та магнітом для різних протоколів руху магніту, а саме повздовжнього, поперечного, з постійною швидкістю тощо.
Пояснення результатів вимірювання взаємодії постійного магніту та ВТНП вимагає розв'язання загальної задачі про взаємодію ВТНП з магнітним полем. Розв'язок задачі про взаємодію надпровідника довільної форми з магнітним полем є надскладним завданням, а чисельний розрахунок потребує потужних обчислювальних ресурсів. Зважаючи на це, буде доцільним створити просту модель, яка б мала добре узгодження з експериментом, та давала просте і наочне представлення процесів що відбуваються в такій системі. Але, спочатку, розглянемо існуючу модель ідеально-жорсткого надпровідника, що дозволяє пояснити частину магнітних властивостей ВТНП.
2.1.1 Наближення ідеально жорсткого надпровідника.
В більшість моделей за основу береться наближення ідеально-жорсткого надпровідника - надпровідника II-го роду з необмежено великою силою пінінгу. У такому разі для розрахунку сил у цій ідеалізованій системі, у загальному випадку охолодження в полі, дуже зручним є модифікований метод зображень [107]. Було показано, що таке наближення добре спрацьовує у переважній більшості левітаційних систем для розрахунку жорсткості системи та для співвідношення між вертикальною та горизонтальною компонентами левітаційної сили [111]. Також у рамках цього наближення добре обчислюються резонансні частоти та жорсткість систем постійний магніт - ВТНП [104]. Але, щоб тут досягти гарного узгодження з експериментом, потрібно врахувати наступний ступінь наближення, та врахувати проникнення магнітного потоку у ВТНП.
Для гранично жорстких надпровідників задача взаємодії надпровідника з магнітним полем може бути розрахована аналітично. Розг
- Киев+380960830922