Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Czy Bogini stwarza to
wszystko . . .

Dlaczego aż tyle
energii?

Szczelina
Umasywniacz
Katedra Moneta, czyli
trzynaście sposobów
widzenia protonu

Nowa materia:
kilka przepisów

Cząstki z próżni
Wyścig
Wpływowa osobistość
z Kalifornii

Wielka nauka i genius
loci Kalifornii

Synchrotron: tyle
okrążeń, ile chcesz

Ike i piony
Damy Beppa
Pierwsza wiązka
zewnętrzna:
przyjmujemy zakłady

Dygresja w stronę
nauk społecznych:
pochodzenie wielkiej
nauki

Z powrotem do
maszyn: trzy przełomy
technologiczne

Czy większe jest
lepsze?

Czwarty przełom:
nadprzewodnictwo

Kowboj dyrektorem
laboratorium

Dzień z życia protonu
Decyzje, decyzje:
protony czy elektrony

Zderzenie czołowe
czy tarcza?

Wytwarzając
antymaterię

Zaglądanie do czarnej
skrzynki: detektory

Kłopoty
z pęcherzykami

Czego się
dowiedzieliśmy:
akceleratory i postęp
w fizyce

Trzy finały:
wehikuł czasu, katedry
i akcelerator na orbicie

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Czwarty przełom: nadprzewodnictwo
 
Czwarty przełom: nadprzewodnictwo
 
J
eszcze w  1911 roku pewien fizyk holenderski odkrył, że niektóre metale schłodzone do bardzo niskich temperatur – zaledwie parę stopni powyżej zera absolutnego (–273°C) – tracą oporność elektryczną. W  pętli przewodu o  takiej temperaturze prąd płynąłby w  nieskończoność, bez żadnych strat, bez konieczności doprowadzania energii.
       Do twojego domu, drogi Czytelniku, energia elektryczna doprowadzana jest z  elektrowni za pośrednictwem miedzianych przewodów. Przewody te nagrzewają się z  powodu oporu, jaki stawiają płynącemu prądowi. Pewną ilość energii zużywa się na wytworzenie tego niepotrzebnego ciepła, powiększającego rachunek, który musisz zapłacić za elektryczność. W konwencjonalnych elektromagnesach stosowanych w  generatorach, silnikach i  akceleratorach prąd wytwarzający pole magnetyczne płynie w  miedzianych przewodach. W  silniku pole magnetyczne obraca zwoje drutu przewodzącego prąd. Można wyczuć ciepło będące produktem ubocznym tego procesu. Przewody elektromagnesów rozgrzewają się i  trzeba je chłodzić silnym strumieniem wody, która zazwyczaj płynie przez otwory w  grubej warstwie miedzianego uzwojenia. To właśnie chłodzenie elektromagnesów pożera lwią część pobieranego przez akcelerator prądu. Na przykład w  1972 roku rachunek za elektryczność w  Fermilabie wyniósł blisko 15 milionów dolarów, z  czego prawie 90 procent przypadało na energię potrzebną do utrzymania przy pracy elektromagnesów głównego pierścienia (400 GeV).
       Na początku lat sześćdziesiątych doszło do kolejnego przełomu technologicznego. Okazało się, że w  nowych stopach egzotycznych metali nawet podczas przepływu wielkich prądów wytwarzających bardzo silne pola magnetyczne utrzymuje się delikatny stan nadprzewodnictwa. A  wszystko to dzieje się w  całkiem przyzwoitej temperaturze 5–10 K, a  nie w  bardzo trudnym do utrzymania zakresie 1–2 K, którego wymagały zwykłe metale. W  temperaturze 5 K  hel jest cieczą (wszystkie inne pierwiastki są zestalone), toteż pojawiła się możliwość praktycznego zastosowania nadprzewodnictwa. Większość dużych laboratoriów zaczęła prace z  przewodami zanurzonymi w  ciekłym helu, wykonanymi z  takich stopów, jak niob-tytan czy niob 3-cyna, a  nie tradycyjnej miedzi.
       Wykorzystując nowe stopy, zbudowano nowe, wielkie magnesy potrzebne detektorom cząstek – na przykład otaczające komorę pęcherzykową – ale nie w  samych akceleratorach, ponieważ tu pole magnetyczne musi rosnąć, w  miarę jak cząstki nabierają energii. Zmieniający się w  magnesie prąd powoduje pojawienie się efektów podobnych do tarcia (prądów wirowych), które niszczą stan nadprzewodnictwa. W  latach sześćdziesiątych i  siedemdziesiątych poświęcono temu problemowi wiele badań, w  czym przodował Fermilab pod kierownictwem Wilsona. Jego zespół podjął prace nad magnesami nadprzewodzącymi w  roku 1973, wkrótce po tym, jak zaczął działać akcelerator, zwany dwusetką. Jednym z  motywów podjęcia tych badań był gwałtowny wzrost kosztów energii elektrycznej, spowodowany przez kryzys naftowy tamtych czasów. Inny powód to rywalizacja z  Europejskim Ośrodkiem Badań Jądrowych z  siedzibą w  Genewie (CERN).
       Pod względem finansowym lata siedemdziesiąte były latami chudymi dla nauki w  Stanach Zjednoczonych. Po drugiej wojnie światowej Stany niezaprzeczalnie objęły przodownictwo w  wielu dziedzinach nauki, ponieważ reszta świata trudziła się nad odbudową ze zniszczeń wojennych gospodarki i  infrastruktury. Dopiero pod koniec lat siedemdziesiątych zaczął powracać stan równowagi. W Europie budowano maszynę o  mocy 400 GeV – supersynchrotron protonowy (Super Proton Synchrotron, czyli SPS) – dysponując większymi funduszami i  lepszymi (bardzo kosztownymi) detektorami, od których w  głównej mierze zależy jakość otrzymywanych rezultatów. (To urządzenie wyznaczało początek nowej ery we współpracy międzynarodowej, a  także we współzawodnictwie. W  latach dziewięćdziesiątych Europa i  Japonia wyprzedzają już Stany Zjednoczone w  niektórych dziedzinach badań, a  w  innych są tylko nieznacznie w  tyle).
       Koncepcja Wilsona polegała na tym, że gdyby udało się rozwikłać problem związany ze zmianami pola magnetycznego, to nadprzewodzący pierścień pozwoliłby zaoszczędzić mnóstwo energii elektrycznej, dając jednocześnie silniejsze pole magnetyczne, co w  wypadku urządzenia o  określonym promieniu oznaczałoby osiąganie wyższych energii. Przy pomocy profesora Alvina Tollestrupa z  Caltech, okresowo współpracującego z  Fermilabem (w końcu zatrudnił się tam na stałe), Wilson zajął się bardzo szczegółowym badaniem tego, jak zmienne prądy i  pola powodują lokalne podwyższenie temperatury w  ośrodku nadprzewodzącym. Wykorzystując wyniki badań własnych oraz prowadzonych w  innych laboratoriach, szczególnie w  Laboratorium im. Rutherforda w  Anglii, zbudowano w  Fermilabie setki modeli. Nawiązano współpracę z  metalurgami i  ze specjalistami od inżynierii materiałowej i  w  latach 1973–1977 zdołano rozwiązać problem. Można było podnieść natężenie prądu w  modelowych elektromagnesach od 0 do 5000 amperów w  ciągu dziesięciu sekund, nie niszcząc przy tym stanu nadprzewodnictwa. Na przełomie lat 1978/1979 ruszyła linia produkcyjna siedmiometrowych magnesów o  doskonałych własnościach, a  w  roku 1983 zaczął działać tewatron – nadprzewodzący „dopalacz” w  kompleksie Fermilabu. Maksymalna osiągalna energia wzrosła dzięki temu z  400 do 900 GeV, a  zużycie energii spadło z  60 do 20 megawatów. Większość potrzebnej mocy zużywano na otrzymywanie ciekłego helu.
       Gdy Wilson w  roku 1973 zaczynał swój program badawczy, roczna produkcja materiałów nadprzewodzących w  Stanach Zjednoczonych wynosiła kilkaset kilogramów. Fermilab zużył 56 tysięcy kilogramów takich substancji. Stanowiło to poważny bodziec stymulujący rozwój całej gałęzi przemysłu. Dziś najpoważniejszymi konsumentami materiałów nadprzewodzących są firmy produkujące medyczne urządzenia diagnostyczne, które wykorzystują zjawisko rezonansu magnetycznego. Chyba można przypisać Fermilabowi odrobinę zasług za rozwój tej gałęzi przemysłu, która dziś osiąga roczne obroty w  wysokości 500 milionów dolarów.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach