U skoroj budućnosti svi će kabeli za napajanje biti izrađeni od supravodljivih materijala

Načelo superprovodljivosti. Učinak magnetskog polja

Protok struje u vodičima uvijek je povezan s gubicima energije, tj. s prijelazom energije iz električne u toplinsku. Taj je prijelaz nepovratan, obrnuti prijelaz povezan je samo s završetkom rada, jer termodinamika o tome govori. Postoji, međutim, mogućnost pretvaranja toplinske energije u električnu energiju i korištenjem tzv termoelektrični učinak, kada se koriste dva kontakta dva vodiča, od kojih se jedan zagrijava, a drugi hladi.

Zapravo, i ta činjenica je iznenađujuća, postoji niz provodnika u kojima, pod određenim uvjetima, nema gubitka energije tijekom protoka struje! U klasičnoj fizici taj je učinak neobjašnjiv.

Prema klasičnoj elektroničkoj teoriji, gibanje nosača naboja događa se u električnom polju ravnomjerno ubrzanim sve dok se ne sudari sa strukturnim nedostatkom ili s vibracijom rešetke. Nakon sudara, ako je neelastičan, poput sudara dvije plastične kugle, elektron gubi energiju, prenoseći ga u rešetku metalnih atoma. U ovom slučaju, u principu, ne može biti supravodljivosti.

Ispada da se superprovodnost pojavljuje tek kad se uzmu u obzir kvantni efekti. Teško je to zamisliti Slaba ideja mehanizma supravodljivosti može se dobiti iz sljedećih razmatranja.

Ispada da, s obzirom na to da elektron može polarizirati atom rešetke koji mu je najbliži, tj. povucite ga malo prema sebi zbog djelovanja Kulomove sile, tada će ovaj rešetkasti atom malo pomaknuti sljedeći elektron. Nastaje veza para elektrona, kao da jest.

Kada se elektron kreće, druga komponenta para, kao da je, percipira energiju koju elektron prenosi na atom rešetke. Ispada da ako uzmemo u obzir energiju para elektrona, onda se ona ne mijenja tijekom sudara, tj. ne dolazi do gubitka energije elektrona! Takvi parovi elektrona nazivaju se Cooper parovi.

Općenito, teško je razumjeti osobu s ustaljenim fizičkim idejama. To vam je lakše razumjeti, barem to možete uzeti zdravo za gotovo.

superprovodljivostisto tako superfluidnostpronađeni su u eksperimentima na ultra-niskim temperaturama, blizu apsolutne nulte temperature. Kako se približavate apsolutnoj nuli, vibracije rešetke se smrzavaju. Otpor struji struje opada čak i prema klasičnoj teoriji, ali do nule pri određenoj kritičnoj temperaturi T_s, smanjuje se samo prema kvantnim zakonima.

Superprovodnost su otkrivena dva fenomena: prvo, o činjenici nestanka električnog otpora, i drugo, o dijamagnetizmu. Prvi fenomen je jasan - ako prođete određenu struju ja kroz provodnik, zatim padom napona U na vodiču možete odrediti otpor R = U / I. Nestanak napetosti znači nestanak otpora kao takvog.

Drugi fenomen zahtijeva detaljnije razmatranje. Logično, nedostatak otpora identičan je apsolutnoj dijamagnetskoj prirodi materijala. Doista, zamislite malo iskustva. Uvest ćemo supravodljivi materijal u područje magnetskog polja. Prema Joule-Lenzovom zakonu, u vodiču se mora pojaviti struja koja u potpunosti nadoknađuje promjenu magnetskog toka, tj. magnetski tok kroz supravodič je bio i nula i ostaje nula. U konvencionalnom vodiču ta struja propada, jer dirigent ima otpor. Tek tada magnetno polje prodire u vodič. U superprevodniku ne blijedi.To znači da struja koja teče vodi do potpune kompenzacije magnetskog polja unutar sebe, tj. polje ne prodire u njega. S formalnog stajališta, nulto polje znači da je magnetska propusnost materijala jednaka nuli, m = 0 tj. tijelo se manifestira kao apsolutni diamagnet.

Međutim, ti su fenomeni karakteristični samo za slaba magnetska polja. Ispada da snažno magnetsko polje može prodrijeti u materijal, štoviše, uništava i samu supravodljivost! Uvesti pojam kritičkog polja B_sšto uništava superprevodnik. Ovisi o temperaturi: maksimalna na temperaturi bliskoj nuli, nestaje pri prelasku na kritičnu temperaturu T_s, Zašto nam je važno znati napetost (ili indukciju) pri kojoj nestaje supravodljivost? Činjenica je da kada struja prolazi kroz supravodič, oko vodiča fizički se stvara magnetsko polje, koje bi trebalo djelovati na kondukter.

Na primjer, za cilindrični vodič polumjera r smješten u mediju s magnetskom propusnošću m, bit će magnetska indukcija na površini u skladu sa zakonom Bio-Savard-Laplace

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Što je veća struja, veće je polje. Stoga, s nekom indukcijom (ili napetošću), supravodljivost nestaje, i zbog toga kroz vodič može proći samo struja manja od one koja stvara kritičnu indukciju.

Dakle, za supravodljivi materijal imamo dva parametra: kritičnu indukciju magnetskog polja B_s i kritična temperatura T_s.  

Za metale su kritične temperature blizu apsolutne nulte temperature. To je područje tzv Temperature "helija", usporedive s vrelištem helija (4,2 K). Što se tiče kritične indukcije, možemo reći da je ona relativno mala. Može se usporediti s indukcijom u transformatorima (1-1,5 T). Ili na primjer s indukcijom u blizini žice. Na primjer, izračunavamo indukciju u zraku u blizini žice s polumjerom od 1 cm sa strujom od 100 A.

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

Zamjenjujući izrazom (1) dobivamo B = 2 mT, tj. Vrijednost koja približno odgovara kritičnoj. To znači da ako se takav vodnik stavi u dalekovod, na primjer 6 kV, tada će najveća snaga koja se može prenijeti kroz svaku fazu biti P_m = U_f· Ja = 600 kW. Razmatrani primjer pokazuje da svojstveno magnetsko polje ograničava sposobnost prijenosa energije putem kriogene žice. Štoviše, što je temperatura bliža kritičnoj, to je niža vrijednost indukcijske kritičnosti.

Superprovodnici na niskim temperaturama

Iznad sam se već usredotočio na neke specifične supravodljive materijale. U principu, svojstvo supravodljivosti je karakteristično za gotovo sve materijale. Samo za električno provodljivu - bakrenu, srebrnu (paradoks?) Superprovodnost bakra, detektirano nije. Specifična primjena superprovodljivosti u energetskom sektoru primamljiva je: prekrasno je imati dalekovode bez gubitaka. Druga je primjena generator s superprevodnim namotima. Uzorak takvog generatora razvijen je u Sankt Peterburgu i izvršena su uspješna ispitivanja. Treća opcija je elektromagnet čija se indukcija može kontrolirano kontrolirati ovisno o jakosti struje.

Drugi primjer je supravodljivo induktivno spremanje. Zamislite veliku zavojnicu supravodnjeg vodiča. Ako na neki način ubrizgate struju u nju i zatvorite ulazne i izlazne žice, tada će struja u zavojnici teći neograničeno. U skladu s dobro poznatim zakonom, energija će biti zatvorena u zavojnicu

W = l× ja²/2

gdje L- induktivnost zavojnice. Hipotetski se može zamisliti da u nekom trenutku postoji višak energije u energetskom sustavu, energija se iz njega odvodi u takav uređaj za pohranu. Ovdje se pohranjuje onoliko dugo koliko je potrebno dok ne dođe do potrebe za energijom. Zatim se postupno, kontrolirano vraća u elektroenergetski sustav.

U fizici i tehnologiji supravodljivosti postoje i analozi niske struje radio-elemenata konvencionalne elektronike. Na primjer, u sustavima „superprovodnik - tanki sloj otporničkog metala (ili dielektričnog) - superprevodnik“ mogući su brojni novi fizički učinci koji se već koriste u elektronici. Ovo je kvantizacija magnetskog toka u prstenu koji sadrži takav element, mogućnost nagle promjene struje ovisno o naponu kada je sustav izložen slabom zračenju, te standardni izvori napona izgrađeni na tom principu s točnošću 10^-10 B. Pored toga, postoje elementi za pohranu, analogno-digitalni pretvarači itd. Postoji čak i nekoliko izvedbi računala s superprevodnikom.

Hitnost problema mikrominijarizacije upotrebom poluvodiča je da čak i malo oslobađanja energije u vrlo malom volumenu može dovesti do značajnog pregrijavanja, a problem odvajanja topline je akutan.

Taj je problem posebno važan za superračunala. Ispada da mikročipovi lokalnih toplinskih tokova mogu doseći kilovate po kvadratnom centimetru. Nije moguće ukloniti toplinu na uobičajen način, puhanjem zraka. Predložili su uklanjanje kućišta mikrocirke i izravno mikrokristal. Tu se pojavio problem lošeg prijenosa topline u zrak. Sljedeći korak bio je napuniti sve tekućinom i ukloniti toplinu kuhanjem tekućine na tim elementima. Tekućina bi trebala biti vrlo čista, ne smije sadržavati mikročestice, a ne ispirati nijedan od mnogih elemenata računala. Do sada ta pitanja nisu u potpunosti riješena. Istraživanje se provodi s organofluorin tekućinama.

U superprevodnim računalima nema takvih problema, jer nema gubitka. Međutim, hlađenje opreme do kriogenih temperatura zahtijeva mnogo troškova. Štoviše, što je bliža apsolutnoj nuli - veći su i troškovi. Štoviše, ovisnost je nelinearna, čak je jača i od obrnuto proporcionalne ovisnosti.

Temperaturna ljestvica u kriogenom području konvencionalno se dijeli na nekoliko područja prema vrelištu ukapljenih plinova: helij (ispod 4,2 K), vodik 20,5 K, dušik 77 K, kisik 90 K, amonijak (-33 °C). Ako je moguće pronaći materijal s vrelištem blizu ili iznad vodika, troškovi održavanja kabela u radnom stanju bili bi deset puta manji nego za temperature helija. Nakon prelaska na temperature dušika, dobit bi se za nekoliko reda veličine. Stoga superprevodni materijali koji djeluju na temperaturama helija, iako su otkriveni prije više od 80 godina, još uvijek nisu našli primjenu u energetskom sektoru.

Može se primijetiti da su naknadni pokušaji razvoja kriogeničkog pogona napravljeni nakon svakog napretka u tehnologiji. Napredak tehnologije doveo je do legura koje imaju najbolje kritične karakteristike indukcije i temperature.

Tako je u ranim 70-ima došlo do procvata u istraživanju stannidnog niobija nb₃Sn. Ima B_s = 22 T i T_s= 18 K. Međutim, u tim superprovodnicima, za razliku od metala, učinak supravodljivosti je složeniji. Ispada da imaju dvije vrijednosti kritične napetosti B_C0 i B_c1.  

U razmaku između njih, materijal nema otpor istosmjernoj struji, ali ima konačni otpor na izmjeničnu struju. I premda In_C0 dovoljno velike, ali vrijednosti druge kritične indukcije B_c1 malo se razlikuje od odgovarajućih vrijednosti za metale. "Jednostavni" supravodiči se nazivaju superprovodnici prve vrste, a "složeni" - superprovodnici druge vrste.

Novi intermetalni spojevi nemaju duktilnost metala, pa je istodobno riješeno pitanje kako od krhkih materijala napraviti produžene elemente poput žica.Razvijeno je nekoliko opcija, uključujući stvaranje kompozita poput slojevitog kolača s plastičnim metalima, poput bakra, taloženja intermetala na bakrenoj podlozi itd., Što je bilo korisno u razvoju superprevodne keramike.

Superprevodna keramika

Sljedeći radikalni korak u istraživanju supravodljivosti bio je pokušaj pronalaženja superprevodljivosti u oksidnim sustavima. Nejasna ideja programera bila je da je u sustavima koji sadrže tvari s promjenjivom valentnom superprevodljivošću i na višim temperaturama. Binarni sustavi, tj. koji se sastoji od dva različita oksida. Nije bilo moguće pronaći supravodljivost. I to samo u trostrukim sustavima Bao-La₂O₃-CuO 1986. godine otkrivena je supravodljivost pri temperaturi od 30-35 K. Za ovo djelo, Bednorts i Muller dobili su Nobelovu nagradu za slijedeće, (!!) 1987.

Intenzivne studije povezanih spojeva tijekom godine dovele su do otkrića superprovodljivosti u sustavu BaO-Y₂O₃-CuO pri temperaturi od 90 K. U stvari, superprovodnost se dobiva u još složenijem sustavu, čija se formula može prikazati kao YBa₂Cu₃O_7-d, vrijednost d za materijale za supravodivanje s najvišom temperaturom 0,2. To znači ne samo određeni postotak početnih oksida, već i smanjeni udio kisika.

Doista, ako izračunate prema valenciji, tada je itrij - 3, barij - dva, bakar 1 ili 2. Tada metali imaju ukupnu valenciju 10 ili 13, a kisika ima nešto manje od 14. Stoga, u ovoj keramici postoji višak kisika u odnosu na stehiometrijski omjer.

Keramika se proizvodi konvencionalnom tehnologijom keramike. Kako napraviti žice od krhke tvari? Jedan je način da se suspenzija praška napravi u pogodnom otapalu, a zatim se otopina provede kroz kalup, osuši i namoti na bubanj. Konačno uklanjanje ligamenta provodi se spaljivanjem, žica je spremna. Svojstva takvih vlakana: kritične temperature 90-82 K, pri 100 K r= 12 mOhm · cm, (približno kao grafit), kritična gustoća struje 4000 A / m².

Zaustavimo se na zadnjoj znamenci. Ova je vrijednost izuzetno niska za upotrebu u energetskom sektoru. Usporedba s ekonomskom gustoćom struje (~1 A / mm²), vidi se da je u keramici gustoća struje 250 puta manja. Znanstvenici su istraživali to pitanje i došli do zaključka da su krivi kontakti koji nisu supravodljivi. Doista, monokristal je dobio gustoću struje koja doseže ekonomsku gustoću struje. U posljednje dvije ili tri godine dobivene su keramičke žice čija gustoća struje prelazi ekonomsku gustoću struje.

U Japanu je 1999. pušten u rad superprevodni kabel koji povezuje dvije stanice metroa. Kabel je izrađen pomoću tehnologije "sendviča", tj. krhka keramika u njoj nalazi se između dva sloja elastičnog i duktilnog bakra. Izolacija i, istovremeno, rashladno sredstvo je tekući dušik.

Što mislite koji je jedan od glavnih problema ovog kabela? Možete pretpostaviti da su ta pitanja ranije razgovarana u vezi s izolacijom. Ispostavilo se da je gubitak dielektrika u tako divnom dielektriku poput tekućeg dušika zagrijava, što zahtijeva stalnu brigu za dodatno hlađenje.

Ali jane odustaju, a prema japanskim novinskim agencijama, TEPCO namjerava stvoriti prve superprevodne mreže za isporuku električne energije u stambene zgrade. U prvoj fazi položit će se oko 300 kilometara takvih kabela u Yokohami, koji će obuhvatiti oko pola milijuna zgrada!