Lähitulevaisuudessa kaikki virtajohdot valmistetaan suprajohtavista materiaaleista

Suprajohtavuuden periaate. Magneettikenttävaikutus

Virtavirta johtimissa liittyy aina energiahäviöihin, ts. energian siirtyessä sähköisestä termiseen. Tämä muutos on peruuttamaton, käänteinen muutos liittyy vain työn loppuun saattamiseen, koska termodynamiikka puhuu tästä. On kuitenkin mahdollista muuntaa lämpöenergia sähköenergiaksi ja käyttää ns termoelektrinen vaikutus, kun käytetään kahden johtimen kahta kosketinta, joista toinen lämmitetään ja toinen jäähdytetään.

Itse asiassa, ja tämä tosiasia on yllättävää, on olemassa useita johtimia, joissa tietyissä olosuhteissa ei ole energiahäviötä virran virtauksen aikana! Klassisessa fysiikassa tämä vaikutus on selittämätön.

Klassisen elektroniikkateorian mukaan varauskantajan liike tapahtuu tasaisesti kiihtyvässä sähkökentässä, kunnes se törmää rakennevirheen tai hilan värähtelyn kanssa. Törmäyksen jälkeen, jos se on joustamaton, kuten kahden plastiliinipallin törmäys, elektroni menettää energiaa siirtäen sen metalliatomien hilaan. Tässä tapauksessa ei periaatteessa voi olla suprajohtavuutta.

Osoittautuu, että suprajohtavuus ilmenee vain, kun kvanttehosteet otetaan huomioon. On vaikea kuvitella sitä. Jotkut heikot ideat suprajohtavuusmekanismista voidaan saada seuraavista näkökohdista.

Osoittautuu, että ottaen huomioon, että elektroni voi polarisoida sitä lähinnä olevan hilan atomin, ts. vedä sitä hiukan itseäsi kohti Coulomb-voiman vaikutuksesta, niin tämä hilaatomi siirtää hiukan seuraavaa elektronia. Muodostuu elektroniparin sidos.

Kun elektroni liikkuu, parin toinen komponentti havaitsee energian, jonka elektroni siirtää hilan atomiin. Osoittautuu, että jos otamme huomioon elektroniparin energian, se ei muutu törmäyksen aikana, ts. elektronien energiahäviötä ei tapahdu! Sellaisia ​​elektronipareja kutsutaan Cooper-pareiksi.

Yleensä on vaikea ymmärtää henkilöä, jolla on vakiintuneet fyysiset ideat. Sinun on helpompi ymmärtää, ainakin voit pitää sitä itsestään selvänä.

suprajohtavuussamoin suprajuoksevuuslöydettiin kokeissa erittäin alhaisissa lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollalämpötilaa. Kun lähestyt absoluuttista nollaa, hilan värähtely jäätyy. Vastusvirtausvastus laskee jopa klassisen teorian mukaan, mutta nollaan tietyssä kriittisessä lämpötilassa T_kanssa, se vähenee vain kvanttilakien mukaan.

Suprajohtavuus havaittiin kahdella ilmiöllä: ensinnäkin tosiasiasta, että sähkövastus katosi, ja toiseksi, diamagnetismiin. Ensimmäinen ilmiö on selvä - jos ohitat tietyn virran minä läpi johtimen läpi, sitten jännitteen pudotuksella U johtimessa voit määrittää resistanssin R = U / I. Jännityksen katoaminen tarkoittaa vastuksen katoamista sellaisenaan.

Toinen ilmiö vaatii tarkempaa harkintaa. Loogisesti, resistenssin puute on identtinen materiaalin absoluuttisen diamagneettisen luonteen kanssa. Itse kuvittele pieni kokemus. Esittelemme suprajohtavaa materiaalia magneettikentän alueelle. Joule-Lenzin lain mukaan johtimessa täytyy tapahtua virta, joka kompensoi täysin magneettisen vuon muutoksen, ts. suprajohtimen läpi kulkeva magneettinen vuo oli sekä nolla että pysyy nollassa. Tavanomaisessa johtimessa tämä virta hajoaa, koska johtimella on vastus. Vasta sitten magneettikenttä tunkeutuu johtimeen. Suprajohteessa se ei haalistu.Tämä tarkoittaa, että virtausvirta johtaa magneettikentän täydelliseen kompensointiin itsessään, ts. kenttä ei tunkeudu siihen. Muodollisesta näkökulmasta nollakenttä tarkoittaa, että materiaalin magneettinen läpäisevyys on nolla, m = 0 eli keho ilmenee absoluuttisena diamagnettina.

Nämä ilmiöt ovat kuitenkin ominaisia ​​vain heikoille magneettikentille. Osoittautuu, että vahva magneettikenttä voi tunkeutua materiaaliin, lisäksi se tuhoaa itsensä suprajohtavuuden! Esittele kriittisen kentän B käsite_kanssajoka tuhoaa suprajohtimen. Se riippuu lämpötilasta: korkeintaan lämpötilassa, joka on lähellä nollaa, häviää siirryttäessä kriittiseen lämpötilaan T_kanssa. Miksi on tärkeää tietää jännitys (tai induktio), jolla suprajohtavuus katoaa? Tosiasia on, että kun virta virtaa suprajohtimen läpi, johtimen ympärille syntyy fyysisesti magneettikenttä, jonka tulisi toimia johtimen kanssa.

Esimerkiksi sylinterimäiselle johtimelle, jonka säde on r, asetettu väliaineeseen, jolla on magneettinen läpäisevyys m, magneettinen induktio pinnalla on Bio-Savard-Laplacen lain mukainen

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Mitä suurempi virta, sitä suurempi kenttä. Siten joillakin induktioilla (tai jännityksillä) suprajohtavuus katoaa, ja siten vain johdin läpi voidaan johtaa vähemmän virtaa kuin mikä aiheuttaa kriittisen induktion.

Siksi suprajohtavalla materiaalilla on kaksi parametria: kriittinen magneettikentän induktio B_kanssa ja kriittinen lämpötila T_kanssa.  

Metallien kriittiset lämpötilat ovat lähellä absoluuttista nollalämpötilaa. Tämä on ns ”Helium” -lämpötilat, verrattavissa heliumin kiehumispisteeseen (4,2 K). Kriittisen induktion suhteen voimme sanoa, että se on suhteellisen pieni. Sitä voidaan verrata muuntajien induktioon (1-1,5 T). Tai esimerkiksi induktiolla lähellä johtoa. Lasketaan esimerkiksi induktio ilmassa lähellä johtoa, jonka säde on 1 cm, virralla 100 A.

m₀ = 4p 10^-7 GN / m
m = 1, I = 100 A,
r = 10^-2m.

Korvaamalla lausekkeeseen (1) saadaan B = 2 mT, ts. Arvo, joka vastaa suunnilleen kriittistä. Tämä tarkoittaa, että jos tällainen johdin laitetaan voimajohtoon, esimerkiksi 6 kV, silloin kunkin vaiheen läpi siirrettävä maksimiteho on P_m = U_f· Minä = 600 kW. Tarkasteltu esimerkki osoittaa, että luontainen magneettikenttä rajoittaa kykyä siirtää voimaa kryogeenisen johtimen kautta. Lisäksi mitä lähempänä lämpötilaa kriittiseen lämpötilaan, sitä alhaisempi kriittinen induktioarvo on.

Matalan lämpötilan suprajohteet

Yllä olen keskittynyt joihinkin erityisiin suprajohtaviin materiaaleihin. Periaatteessa suprajohtavuuden ominaisuus on ominaista melkein kaikille materiaaleille. Vain kaikkein sähköä johtavimmalle - kuparille, hopealle (paradoksi?) Suprajohtavuutta ei havaita. Suprajohtavuuden erityinen käyttö energia-alalla on houkutteleva: häviöttömien voimajohtojen hankkiminen olisi hienoa. Toinen sovellus on generaattori, jossa on suprajohtavat käämit. Pietarissa kehitettiin näyte tällaisesta generaattorista ja suoritettiin onnistuneet testit. Kolmas vaihtoehto on sähkömagneetti, jonka induktiota voidaan ohjata hallitusti virranvoimasta riippuen.

Toinen esimerkki on suprajohtava induktiivinen varastointi. Kuvittele valtava suprajohtavan johtimen kela. Jos injektoit siihen virta jollain tavalla ja suljet tulo- ja lähtöjohdot, kelassa oleva virta virtaa loputtomiin. Tunnetun lain mukaan energia suljetaan kelaan

W = l× minä²/2

jossa L- kelan induktanssi. Hypoteettisesti voidaan kuvitella, että jossain vaiheessa energiajärjestelmässä on ylimääräistä energiaa, energia viedään siitä sellaiseen varastointilaitteeseen. Täällä sitä varastoidaan niin kauan kuin on tarpeen energian tarpeeseen asti. Sitten se pumpataan vähitellen, kontrolloitavasti takaisin sähköjärjestelmään.

Fysiikassa ja suprajohtavuuden tekniikassa on myös perinteisen elektroniikan radioelementtien heikkovirta-analogeja. Esimerkiksi järjestelmissä "suprajohdin - ohut kerros resistiivistä metallia (tai dielektristä) - suprajohdin" on mahdollista luoda joukko uusia fyysisiä vaikutuksia, joita käytetään jo elektroniikassa. Tämä on tällaisen elementin sisältävässä renkaassa olevan magneettivuon kvantisointi, virran äkillisen muutoksen mahdollisuus jännitteestä riippuen, kun järjestelmään kohdistetaan heikkoa säteilyä, ja tähän periaatteeseen rakennetut vakiojännitelähteet tarkkuudella 10^-10 B. Lisäksi on tallennusosia, analogia-digitaalimuuntimia jne. On olemassa jopa muutama suprajohtavien tietokoneiden malleja.

Puolijohteita käyttävän mikrominaturoinnin ongelman kiireellisyys on, että jopa pieni energian vapautuminen hyvin pienessä tilavuudessa voi johtaa merkittävään ylikuumenemiseen ja lämmön hajaantumisen ongelma on akuutti.

Tämä ongelma on erityisen tärkeä supertietokoneille. Osoittautuu, että mikrosirun paikalliset lämpövuodot voivat saavuttaa kilowatin neliö senttimetriä kohti. Lämpöä ei ole mahdollista poistaa tavalliseen tapaan puhaltamalla ilmaa. He ehdottivat mikrosirujen poistamista ja puhallusta suoraan mikrokiteistä. Tässä nousi esiin huono lämmönsiirron ilmaan ongelma. Seuraava vaihe oli täyttää kaikki nesteellä ja poistaa lämpö keittämällä neste näillä elementeillä. Nesteen tulee olla erittäin puhdasta, siinä ei saa olla mikrohiukkasia, eikä se saa pestä mitään tietokoneen monista osista. Toistaiseksi näitä kysymyksiä ei ole vielä ratkaistu kokonaan. Tutkimusta tehdään orgaanisilla fluoriöljyillä.

Suprajohtavissa tietokoneissa ei ole tällaisia ​​ongelmia, koska ei menetystä. Laitteiden jäähdyttäminen kryogeenisiin lämpötiloihin vaatii kuitenkin paljon kustannuksia. Lisäksi mitä lähempänä absoluuttista nollaa - sitä suurempia kustannuksia. Lisäksi riippuvuus on epälineaarinen, se on jopa vahvempi kuin käänteisesti verrannollinen riippuvuus.

Kryogeenisen alueen lämpötila-asteikko jaetaan tavanomaisesti useisiin alueisiin nesteytettyjen kaasujen kiehumispisteiden mukaan: helium (alle 4,2 K), vety 20,5 K, typpi 77 K, happi 90 K, ammoniakki (-33) °C). Jos voisimme löytää materiaalin, jonka kiehumispiste on lähellä vetyä tai sen yläpuolella, kaapelin pitäminen toimintakunnossa olisi kymmenen kertaa pienempi kuin heliumin lämpötiloissa. Typpilämpötiloihin siirtyessä saadaan voitto useilla suuruusluokilla. Siksi heliumin lämpötiloissa toimivia suprajohtavia materiaaleja, vaikka ne löydettiin yli 80 vuotta sitten, ei vieläkään ole löydetty käyttökohteista energia-alalla.

Voidaan huomata, että myöhemmät yritykset kehittää toimiva kryogeeninen laite tehdään kunkin tekniikan läpimurron jälkeen. Teknologian edistyminen on johtanut seoksisiin, joilla on parhaat kriittiset induktio- ja lämpötilaominaisuudet.

Joten 70-luvun alkupuolella stannide niobiumin tutkiminen oli nousussa huom₃Sn. Hänellä on B_kanssa = 22 T ja T_kanssa= 18 K. Näissä suprajohteissa, toisin kuin metalleissa, suprajohtavuuden vaikutus on kuitenkin monimutkaisempi. Osoittautuu, että niillä on kaksi kriittisen jännityksen B arvoa_c0 ja B_C1.  

Niiden välisessä raossa materiaalilla ei ole tasavirtaresistanssia, mutta sillä on rajallinen vastus vaihtovirtaan. Ja vaikka In_c0 tarpeeksi suuri, mutta toisen kriittisen induktion B arvot_C1 eroaa vain vähän vastaavista metallien arvoista. "Yksinkertaisiksi" suprajohteiksi kutsutaan ensimmäisen tyyppisiä suprajohteita ja "monimutkaisiksi" - toisen tyyppisiä suprajohteita.

Uusilla metalliyhdisteillä ei ole metallien sitkeyttä, joten ratkaistiin samanaikaisesti kysymys siitä, kuinka tehdä jatketut elementit, kuten langat, hauraista materiaaleista.Useita vaihtoehtoja on kehitetty, mukaan lukien komposiittien, kuten kerroskakun, valmistaminen muovimetallien, kuten kuparin, kanssa, intermetalleiden kerrostaminen kuparialustalle jne., Mikä oli hyödyllistä suprajohtavien keraamien kehittämisessä.

Suprajohtavat keramiikat

Seuraava radikaali vaihe suprajohtavuuden tutkimuksessa oli yritys löytää suprajohtavuus oksidijärjestelmissä. Kehittäjien epämääräinen ajatus oli, että järjestelmissä, joissa on aineita, joilla on muuttuva valenssi, suprajohtavuus on mahdollista ja korkeissa lämpötiloissa. Binaarijärjestelmät, ts. koostuu kahdesta erilaisesta oksidista. Suprajohtavuutta ei ollut mahdollista löytää. Ja vain kolminkertaisissa järjestelmissä BaO-La₂O₃-CuO vuonna 1986 suprajohtavuus havaittiin lämpötilassa 30-35 K. Tätä työtä varten Bednorts ja Muller saivat Nobel-palkinnon seuraavassa (!!) 1987

Läheisten yhdisteiden intensiiviset tutkimukset vuoden aikana johtivat järjestelmän suprajohtavuuden havaitsemiseen BaO-Y₂O₃-CuO itse asiassa suprajohtavuus saadaan vieläkin monimutkaisemmassa järjestelmässä, jonka kaava voidaan esittää seuraavasti: YBa₂cu₃O_7-d. arvo d korkeimman lämpötilan suprajohtavalle materiaalille on 0,2. Tämä tarkoittaa paitsi tiettyä prosenttimäärää lähtöoksideista, myös vähentynyttä happipitoisuutta.

Itse asiassa, jos lasket valenssin perusteella, niin yttrium - 3, barium - kaksi, kupari 1 tai 2. Sitten metallien kokonaisvalenssi on 10 tai 13 ja hapen on vähän vähemmän kuin 14. Siksi tässä keraamisessa happea on ylimäärä kuin stökiömetrisessä. suhde.

Keramiikkaa valmistetaan tavanomaisella keraamisella tekniikalla. Kuinka tehdä johtimia herkästä aineesta? Yhdessä suhteessa jauheen suspensio valmistetaan sopivaan liuottimeen, sitten liuos pakotetaan muotin läpi, kuivataan ja haavataan rummulle. Ligamentin lopullinen poisto suoritetaan polttamalla, lanka on valmis. Tällaisten kuitujen ominaisuudet: kriittiset lämpötilat 90 - 82 K, 100 K: ssa R= 12 mOhm · cm (suunnilleen kuten grafiitti), kriittinen virrantiheys 4000 A / m².

Odotakaamme viimeistä numeroa. Tämä arvo on erittäin alhainen käytettäväksi energia-alalla. Verrattuna taloudelliseen virrantiheyteen (~1 A / mm²) havaitaan, että keramiikassa virrantiheys on 250 kertaa pienempi. Tutkijat tutkivat tätä asiaa ja päättelivät, että kontaktit, jotka eivät ole suprajohtavia, ovat syyllisiä. Yksi kiteet on todellakin saanut virrantiheydet, jotka saavuttavat taloudellisen virrantiheyden. Ja kahden viimeisen kolmen vuoden aikana on saatu keraamisia lankoja, joiden virrantiheys ylittää taloudellisen virrantiheyden.

Vuonna 1999 Japanissa otettiin käyttöön suprajohtava kaapeli, joka yhdisti kaksi metroasemaa. Kaapeli on valmistettu käyttämällä "sandwich" -tekniikkaa, ts. siinä oleva hauras keramiikka sijaitsee kahden kerroksen elastisen ja taipuisan kuparin välillä. Eristys ja samalla kylmäaine on nestemäistä typpeä.

Mikä on mielestäsi yksi tämän kaapelin pääongelmista? Voit arvata, että näistä asioista keskusteltiin aiemmin eristyksen suhteen. Osoittautuu, että dielektrinen häviö niin upeassa dielektrisessä kuin nestemäinen typpi lämmittää sitä, mikä vaatii jatkuvaa hoitoa lisäjäähdytykselle.

Mutta minäälä anna periksi, ja Japanin uutistoimistojen mukaan TEPCO aikoo luoda ensimmäiset suprajohtavat verkot sähkön toimittamiseen asuinrakennuksiin. Ensimmäisessä vaiheessa noin 300 kilometriä tällaisista kaapeleista lasketaan Yokohamaan, joka kattaa noin puoli miljoonaa rakennusta!