Nadprzewodzące przewody

W Danii energia elektryczno zaczęła od maja 2001 roku docierać do 15 000 domów za pośrednictwem kabli nadprzewodzących, zainstalowanych w podstacji Kopenhagi. Od listopada około 30000 domów w Detroit poszło śladem Duńczyków. Są to niezwykle osiągnięcia techniczne, ponieważ zjawisko nadprzewodnictwa występuje jedynie w bardzo niskich temperaturach, bliskich absolutnemu zeru. W projektach z Kopenhagi i Detroit rozwiązano problem wykorzystujcie kable energetyczne, w których specjalna nadprzewodząca ceramika jest chłodzono ciekłym azotem o temperaturze minus 196 stopni Celsjusza (patrz rysunek).

W tak niskiej temperaturze prąd płynie przez materiał nadprzewodzący praktycznie nie napotykając na żaden opór - przynajmniej w teorii - a zatem bez strat mocy. W zwykłych kablach z żyłą miedzianą, lub aluminiową 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. Zakładajcie 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 konkurencjo dla miedzi.

Okablowanie przyszłości 1 Taśma oplatająca chroni

Zastosowanie nadprzewodnictwa

kabel przy pracach instalacyjnych; 2 Izolacja

ograniczało się do tej pory głównie do sfery elektryczna; 3 Izolacja cieplna; 4 Taśma kosztownych urządzeń badawczych, w

nadprzewodząca; 5 Elastyczny kanał dla ciekłego

rodzaju akceleratorów cząstek

azotu

elementarnych do badań jądrowych, o zwłaszcza tomografów medycznych wykorzystujących zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego. W miarę tego, jak kable nadprzewodzące będą się stawały bardziej dostępne, będą się poszerzały obszary ich zastosowań. W pracowniach naukowców już projektuje się i konstruuje urządzenia wykorzystujące nadprzewodnictwo, w rodzaju wysokosprawnych silników elektrycznych i generatorów, a także superszybkich pociągów, lewitujących nad torami no poduszkach magnetycznych, wytwarzanych przez nadprzewodzące elektromagnesy.

Jednak prawdziwy przełom nastąpi gdy naukowcy naukowcy odkryją materiały mające własności nadprzewodzące w temperaturach pokojowych.

Zasada dzia a

ł nia lasera

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.

Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja

wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym

stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy

spowodować, by więcej elektronów było w stanie

wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki

proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia

obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala

emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i

częstotliwości. Aby to dokonać trzeba znaleźć taki

materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym

(na rysunku po prawej poziom E3) czas

przebywania elektronu był dostatecznie długi. Taki

poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do

tej pory zbudowano wiele typów laserów i

uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków

czynnych (stałych, ciekłych i gazowych).

Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą

oświetlenia światłem (pompowanie optyczne),

innym laserem, światłem błyskowym,

wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami

chemicznymi albo wykorzystać rekombinację w

Zasada działania lasera rubinowego

półprzewodnikach.

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 Emisja wymuszona

oraz do odczytywania informacji cyfrowej.

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

Schemat lasera rubinowego

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.

Budowę lasera He-Ne przedstawia schematycznie rysunek powyżej. Rura laserowa (szklana lub kwarcowa) zamknięta jest doskonale płasko-równoległymi okienkami nachylonymi do osi rury pod kątem Brewstera (w celu minimalizacji strat przy odbiciu); jej typowe wymiary: długość -

kilkanaście cm do kilku m, średnica wewnętrzna - kilka do kilkunastu mm. Do rury wlutowane są elektrody, do których przykłada się napięcie powodujące wylądowanie. Rezonator tworzą zewnętrzne zwierciadła (płaskie lub sferyczne w ustawieniu współogniskowym), z których jedno ma pewną, niewielką przepuszczalność, co umożliwia wyprowadzenie wiązki laserowej na zewnątrz.

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.

Paser półprzewodnikowy

Laser półprzewodnikowy czyli dioda laserowa działa podobnie jak diody świecące LED (skrót od angielskiego light emitting diode). 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.

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.

Niebieski laser

półprzewodnikowy

Po kilku latach zajadłej

rywalizacji polscy naukowcy prześcignęli międzynarodową konkurencję i jako pierwsi stworzyli w pełni sprawny, półprzewodnikowy niebieski laser. Jedynie warszawskiemu Centrum Wysokich Ciśnień "Unipress" Polskiej Akademii Nauk udało się wyhodować kryształy azotku galu (GaN), który jest niezbędny do konstrukcji takiego lasera.

Gra toczy się o bardzo duże pieniądze. Lasery służą do odczytywania płyt kompaktowych.

Laserowy promień ślizga się po wyrytych na płycie dołkach. Im mniejsza jest długość jego światła, tym mniejsze mogą być dołki. Można ich wtedy więcej upchać na powierzchni płyty. Dziś stosuje się lasery czerwone. Fale niebieskie są krótsze - gdyby udało się skonstruować niebieskie lasery, pojemność dysków wzrosłaby czterokrotnie.

Bywalcy dyskotek od dawna bawią się w niebieskich laserowych promieni. Są to lasery gazowe, czyli rury wypełnione np. świecącym helem i neonem, zbyt duże, nieporęczne, zasilane dużym napięciem. Do miniaturowych wytworów najnowszej techniki - zupełnie się nie nadają.

We współczesnej elektronice liczą się tylko konstrukcje zbudowane z półprzewodników. Tego typu lasery mogą być wielkości główki od szpilki. Bez nich nie byłoby dziś m.in. miniaturowych odtwarzaczy - dyskmenów, których rozmiar ogranicza tylko średnica pięciocalowej płyty.

Wszyscy czekają, czy rzeczywiście GaN zaświeci laserowym niebieskim światłem. A także, czy ta technologia okaże się na tyle tania, żeby trafić do masowej produkcji.