Спинотроника. Явление гигантского
Магнетосопротивления
Объект исследования: явление гигантского магнетосопротивления и перспективы развития науки Спинотроники.
Результаты полученные автором лично: в достаточном приближении изучена физика явления и подготовлен доклад для научной конференции.
Магнетосопротивление (магниторезистивный эффект) – изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном.
Математически оно чаще всего записывается так:
, (1)
где R (0) – сопротивление образца в отсутствии магнитного поля, а R ( H ) – сопротивление под действием магнитного поля с напряженностью H .
Эффект же Гигантского магнетосопротивления (ГМС) был экспериментально открыт в 1988 году двумя научными коллективами независимо друг от друга: лабораториями Альбера Ферта и Петера Грюнберга. Практическая значимость этого открытия была отмечена присуждением им Нобелевской премии по физике в 2007 году.
Ферт и Грюнберг изучали эффекты, связанные с электрическим сопротивлением структур, включающих в себя ферромагнитные и неферромагнитные материалы. В частности, Ферт занимался проводимостью многослойных плёнок, а Грюнберг в 1986 году открыл обменное взаимодействие антиферромагнитного характера в плёнках Fe/Cr.
Электрическое сопротивление образца зависит от многих факторов.
|
|
|
В основе явления ГМС лежит так называемое Спин-зависимое рассеивание электронов.
В ходе исследований выяснилось, что электрический ток в ферромагнетике состоит из двух разных, но тщательно перемешанных потоков электронов: со спином по направлению намагниченности и против неё. Эти два типа электронов испытывают со стороны металла разное сопротивление – ориентированные против поля, двигаются более свободно.
Поэтому изменение намагниченность образца под действием внешнего магнитного поля определяет анизотропное магнетосопротивление, заключающиеся в изменении электрического сопротивления, например, ферромагнитных проволок в зависимости от их ориентации относительно внешнего магнитного поля. Именно данное явление впервые открытое в 1857 г. можно считать первым в науке, получившей название: «Спинотроника».
Следующим этапов в развитии Спинотроники и изучения ГМС стали сверхрешетки или мультислои. Мультислои представляют собой чередующиеся слои (толщиной в несколько атомов) различных материалов с похожей кристаллической структурой. Приставка «сверх» отражает наличие периодической структуры большего размера, чем период кристаллической решётки. Технологический процесс производства таких структур требует высокой точности. Как оказалось, именно в них можно управлять не просто величиной намагниченности, а характером магнитной упорядоченности, и через него –электрическим сопротивлением.
|
|
|
В ходе экспериментов со сверхрешетками с чередованием ферромагнитных и немагнитных слоев выяснилось интересная вещь. Если правильно подобрать материал для немагнитных слоёв и его толщину, то магнитные слои приобретут «противоестественную» для ферромагнетика тенденцию чередовать ориентацию намагниченности (рис. 1 слева). Однако, если поместить образец в сильное магнитное поле, то намагниченность примет единое направление (рис. 1 справа).
На рис. 2 схематично показано влияние конфигурации намагниченности слоев на проводимость данных структур. Данные принципы воплощены в ряде устройств, таких как, спиновый вентиль и спиновый транзистор.
Так спиновые вентили состоят из двух магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой. Однако намагниченность одного из слоев закреплена обменным взаимодействием со смежным антиферромагнитным слоем, в то время как направление намагниченности второго слоя может изменяться под действием внешнего магнитного поля. При этом, изменение конфигурации магнитных моментов от антипараллельной к параллельной происходит в малых магнитных полях, что обеспечивает высокую чувствительность этих структур. На основе таких элементов созданы считывающие магниторезистивные головки в жестких дисках с плотностью записи свыше 100 Гбит/дюйм2.
|
|
|
Наука Спинотроника, развивавшаяся на основе данных явлений, в настоящее время, имеет ряд перспективных направлений:
· Спин-электронные сенсоры позиционирования и движения;
· Спиновый диод;
· Когерентная квантовая спинтроника;
· Квантовый компьютинг.
Материал поступил в ред. коллегию 24.04.2017
УДК 621.311.22
Т.В. Мошкара, О.В. Луданный
Научный руководитель: профессор кафедры «Общая физика»,
к.ф.-м.н., Д.И. Сирота
LOV2609@yandex.ru
ЦИКЛ АЛЛАМА
Объект исследования: технология и перспективы производства электроэнергии по циклу Аллама.
Результаты полученные авторами лично: изучен принцип работы цикла и проведен сравнительный анализ ТЭС нового цикла и обычной ТЭС.
На сегодняшний день электроэнергия является неотъемлемой частью нашей жизни, универсальным и незаменимым источником энергии. Однако ее производство не только требует больших затрат но и оказывает существенное негативное влияние на окружающую среду. Решить эти проблемы призвана новая технология производства электроэнергии – Цикл Аллама.
|
|
|
Совсем недавно, в конце февраля этого года, в городе Ла-Порта, штат Техас, США, была запущена первая в мире экспериментальная электростанция работающая по циклу Аллама, мощностью 50 МВт. Экспериментальная электростанция будет работать в течение года, чтобы провести всестороннюю проверку разработки и доказать стабильность Цикла Аллама.
В ходе работы был изучен принцип работы станции. Все происходит следующим образом (: пройдя станцию разделения воздуха, чистый кислород вместе с очищенным природным газом поступают в камеру сгорания. Природный газ сжигается в камере сгорания с чистым кислородом под высоким давлением в 300 атм. и температуре 1200°С, а получившейся в результате реакции диоксид углерода (СО2) используется в качестве рабочего тела в полупроницаемом замкнутом контуре для привода специальной турбины. Природный газ вращает лопасти турбины, которая валом соединена с ротором генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую. Затем, после совершения работы в турбине, CO2 и вода поступают в теплообменник, где охлаждаются и нагревают рабочую поверхность теплообменника. После этого чистая вода выводится из цикла, а CO2 поступает в компрессор-охладитель, где доводится до сжиженного состояния. Часть CO2 покидает станцию, а остальная часть идет в теплообменник, где нагревается до нужной температуры и затем снова поступает в котел, где после сгорания небольшого количества газа снова нагревается до рабочей температуры. Цикл идет заново (см. рис. 1).
Рис. 1 . Схема работы ТЭС по циклу Аллама
Расчеты показывают, что КПД такой станции примерно 58,9%, что в два раза превышает КПД обычных ТЭС.
Сравнительный анализ выбросов вредных веществ позволяет сделать вывод,что количество выбросов обычной ТЭС на порядок превосходит выбросы станции по принципу Аллама.
За год угольные ТЭС выбрасывают 40 тыс. тонн CO2, 21 тыс. тонн NO2, 5тыс тонн твердых частиц, а так же соединения ртути, гидрокарбонаты и угарный газ, в то время как станция нового цикла мощностью 300 МВт будет производить около 270 тыс. тонн углекислого газа, который будет использоваться для различных целей, а выбросы в атмосферу будут практически нулевыми. Это является бесспорным преимуществом новой технологии перед современной.
Расчет себестоимости производства электроэнергии на новой станции показывает, что цена электроэнергии в целом остается такой как на нынешних газотурбинных ТЭС: 3.5 руб. за 1 КВт×ч.
Мы искали ответ на вопрос, где может применяться производимая углекислота. Оказывается она необходима в самых различных областях:
1. Нефтяная промышленность.
2. Пищевая промышленность.
3. Системы пожаротушения.
4. Хладагент в холодильных установках.
5. Удобрения для почвы и подкормки растений.
Такие образом, на новую технологию можно возлагать большие надежды. Успех данного проекта можно будет назвать настоящим прорывом в энергетике, ведь будут решены одни из самых главных проблем сегодняшних ТЭС. О дальнейшем будущем этой технологии можно будет говорить после получения первых результатов на пилотной станции.
Материал поступил в редколлегию 30.04.2017
УДК 537.633.9
Д.В. Курочкин
Научный руководитель: ст. преподаватель кафедры «Общая физика»
О.В. Щербакова.
Duckx2@yandex.ru
Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 421; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!