A közeljövőben minden tápkábel szupravezető anyagból készül

A szupravezető képesség elve. Mágneses mező hatás

A vezetékekben az áramlás mindig összekapcsolódik az energiaveszteséggel, azaz az energia átmenetével elektromosról hőre. Ez az átmenet visszafordíthatatlan, a fordított átmenet csak a munka befejezésével jár, mivel a termodinamika erről beszél. Lehetséges azonban a hőenergia villamos energiává történő átalakítása és az ún hőelektromos hatás, ha két vezető két érintkezőjét használjuk, amelyek egyikét melegítjük, a másikat lehűtjük.

Valójában, és ez a tény meglepő, vannak olyan vezetők, amelyekben bizonyos körülmények között nincs energiaveszteség az áram áramlása közben! A klasszikus fizikában ez a hatás megmagyarázhatatlan.

A klasszikus elektronikus elmélet szerint a töltőhordozó mozgása egyenletesen felgyorsított elektromos mezőben zajlik, amíg ütközik egy szerkezeti hibával vagy a rács rezgésével. Egy ütközés után, ha nem elasztikus, mint például két gyurmagolyó ütközésekor, egy elektron veszít energiát, és fématomok rácsához továbbítja. Ebben az esetben elvileg nem lehet szupravezető képesség.

Kiderült, hogy a szupravezető képesség csak akkor jelenik meg, ha a kvantumhatásokat figyelembe vesszük. Nehéz elképzelni. A szupravezető mechanizmus némi gyenge gondolata az alábbi megfontolásokból nyerhető.

Kiderül, hogy mivel az elektron polarizálhatja a hozzá legközelebbi rács atomját, azaz a Coulomb-erő hatása miatt kissé húzza maga felé, akkor ez a rácsatom kissé elmozdítja a következő elektronot. Például egy elektronpár kötése alakul ki.

Amikor az elektron mozog, a pár második alkotóeleme mintha érzékeli azt az energiát, amelyet az elektron továbbít a rács atomjához. Kiderül, hogy ha figyelembe vesszük egy elektronpár energiáját, akkor az az ütközés során nem változik, azaz elektronenergia-veszteség nem fordul elő! Az ilyen elektronpárokat Cooper-pároknak nevezzük.

Általában nehéz megérteni a megalapozott fizikai ötletekkel rendelkező személyt. Könnyebb megérteni, legalábbis magától értetődőnek tekintheti.

szupravezetésis szupra folyékonyságtaláltak ultra alacsony hőmérsékleten, abszolút nulla hőmérséklet közelében végzett kísérletek során. Ahogy közeledik az abszolút nullához, a rács rezgései lefagynak. Az áramlási ellenállás még a klasszikus elmélet szerint csökken, de egy bizonyos T kritikus hőmérsékleten nullára csökken_a, csak a kvantumtörvények szerint csökken.

A szupravezetést két jelenség fedezte fel: egyrészt az elektromos ellenállás eltűnésének tényéről, másrészt a diamagnetizmusról. Az első jelenség egyértelmű - ha átad egy bizonyos áramot én a vezetéken keresztül, majd a feszültségesés által U a vezetőn meghatározhatja az ellenállást R = U / I. A feszültség eltűnése az ellenállás mint olyan eltűnését jelenti.

A második jelenség részletesebb megfontolást igényel. Logikus szempontból az ellenállás hiánya megegyezik az anyag abszolút diamagnetikus természetével. Valóban képzelj el egy kis élményt. Bemutatjuk a szupravezető anyagot a mágneses mező régiójába. A Joule-Lenz törvény szerint olyan áramot kell kialakítani a vezetékben, amely teljes mértékben kompenzálja a mágneses fluxus változását, azaz a szupravezetőn keresztüli mágneses fluxus nulla volt és nulla marad. Egy hagyományos vezetéknél ez az áram elbomlik, mert a vezetőnek ellenállása van. Csak ekkor mágneses mező hatol be a vezetékbe. A szupravezetőben nem fakul.Ez azt jelenti, hogy az áramló áram a mágneses mező teljes kompenzációjához vezet önmagában, azaz a mező nem hatol be. Formális szempontból a nulla mező azt jelenti, hogy az anyag mágneses permeabilitása nulla, m = 0, azaz a test abszolút diamagnetként jelenik meg.

Ezek a jelenségek azonban csak a gyenge mágneses mezőkre jellemzőek. Kiderült, hogy egy erős mágneses mező behatolhat az anyagba, ráadásul maga a szupravezetést is elpusztítja! Mutassa be a B kritikus mező fogalmát_aamely elpusztítja a szupravezetőt. A hőmérséklettől függ: legfeljebb nullához közeli hőmérsékleten eltűnik T kritikus hőmérsékletre való áttéréskor_a. Miért fontos tudnunk a feszültséget (vagy indukciót), amelynél a szupravezető képesség eltűnik? A helyzet az, hogy amikor egy áram átvezet egy szupravezetőn, a vezető körül fizikailag mágneses mező jön létre, amelynek a vezetőről kell hatnia.

Például egy r sugaras henger alakú vezetővel, amelyet mágneses áteresztőképességű közegbe helyezünk m, a Bio-Savard-Laplace törvényének megfelelően a felület mágneses indukciója lesz

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Minél nagyobb az áram, annál nagyobb a mező. Így némi indukcióval (vagy feszültséggel) a szupravezető képesség eltűnik, és ezért csak a kritikus indukciót létrehozó áramnál kisebb áram vezethető át a vezetőn.

Így egy szupravezető anyag esetében két paraméterünk van: a kritikus mágneses mező indukciója_a és a kritikus hőmérséklet T_a.  

Fémeknél a kritikus hőmérsékletek megközelítik az abszolút nulla hőmérsékletet. Ez az úgynevezett terület A hélium hőmérséklete összehasonlítható a hélium forráspontjával (4,2 K). Ami a kritikus indukciót illeti, azt mondhatjuk, hogy viszonylag kicsi. Össze lehet hasonlítani a transzformátorok indukciójával (1-1,5 T). Vagy például a vezeték közelében történő indukcióval. Például kiszámoljuk az indukciót a levegőben egy vezeték közelében, 1 cm sugárral, 100 A árammal.

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

Az (1) kifejezés helyett B = 2 mT értéket kapunk, azaz egy olyan értéket, amely megközelítőleg megfelel a kritikusnak. Ez azt jelenti, hogy ha egy ilyen vezetéket egy tápvezetékbe helyeznek, például 6 kV-ra, akkor az egyes fázisokon átvihető maximális teljesítmény P_m = U_f· Én = 600 kW. A figyelembe vett példa azt mutatja, hogy a belső mágneses mező korlátozza az energiaátvitel képességét egy kriogén huzalon keresztül. Sőt, minél közelebb van a hőmérséklet a kritikus hőmérséklethez, annál alacsonyabb a kritikus indukciós érték.

Alacsony hőmérsékletű szupravezetők

A fentiekben már konkrét szupravezető anyagokra összpontosítottam. A szupravezető tulajdonság elvben szinte minden anyagra jellemző. Csak a leginkább villamosan vezetőképes - réz, ezüst (paradoxon?) Esetén a szupravezető képesség nem észlelhető. A szupravezető képesség konkrét alkalmazása az energiaszektorban csábító: csodálatos lenne, ha veszteségmentes vezetékeket bocsátanánk el. Egy másik alkalmazás egy szupravezető tekercsekkel rendelkező generátor. Egy ilyen generátor mintáját dolgozták ki Szentpéterváron, és sikeres teszteket végeztek. A harmadik lehetőség egy elektromágnes, amelynek indukciója az áramszilárdságtól függően szabályozott módon vezérelhető.

Egy másik példa a szupravezető induktív tárolás. Képzeljünk el egy hatalmas szupravezető tekercset. Ha valamilyen módon áramot ad be, és bezárja a bemeneti és kimeneti vezetékeket, akkor a tekercsben lévő áram határozatlan ideig áramlik. A közismert törvénynek megfelelően az energiát tekercsbe kell zárni

W = l× én²/2

ahol L- tekercs induktivitása. Hipotetikusan el lehet képzelni, hogy bizonyos időpontokban túl sok energia van az energiarendszerben, és az energiát egy ilyen tárolóeszközbe veszik. Itt tárolja mindaddig, amíg szükséges, az energiaigényig. Ezután fokozatosan, ellenőrizhető módon szivattyúzzák vissza az energiarendszerbe.

A fizikában és a szupravezető képesség technológiájában vannak a hagyományos elektronika rádióelemeinek kisáramú analógjai. Például a "szupravezető - egy vékony réteg ellenálló fém (vagy dielektromos) - szupravezető" rendszerekben számos új fizikai hatás lehetséges, amelyeket már az elektronikában használnak. Ez egy ilyen elemet tartalmazó gyűrű mágneses fluxusának kvantálása, az áram hirtelen változásának lehetősége a feszültségtől függően, amikor egy gyenge sugárzást alkalmaznak a rendszerre, és ezen az elven épített standard feszültségforrások 10 pontossággal^-10 B. Ezen kívül vannak tároló elemek, analóg-digitális konverterek stb. Még néhány szupravezető számítógép-tervezet is létezik.

A félvezetőkkel végzett mikrominiaturizáció problémájának sürgőssége az, hogy még egy kis energiakibocsátás is nagyon kis térfogatban jelentős túlmelegedéshez vezethet, és a hőeloszlás problémája akut.

Ez a probléma különösen releváns a szuperszámítógépeknél. Kiderült, hogy a mikrochip helyi hőáramai elérhetik kilovatt / négyzetcentiméter értéket. A hőt a szokásos módon, levegő fúvásával nem lehet eltávolítani. Javasolták, hogy távolítsák el a mikroáramkörök tokját, és fújják közvetlenül a mikrokristályt. Itt felmerült a levegőbe történő rossz hőátadás problémája. A következő lépés az volt, hogy mindent feltöltöttünk folyadékkal, és eltávolítottuk a hőt azáltal, hogy a folyadékot ezen elemekre forraltuk. A folyadéknak nagyon tisztanak kell lennie, nem tartalmazhat mikrorészecskéket, ne mossa ki a számítógép sok elemét. Eddig ezeket a kérdéseket még nem oldották meg teljesen. A kutatást organofluor-folyadékokkal végzik.

A szupravezető számítógépekben nincsenek ilyen problémák, mert nincs veszteség. A berendezés kriogén hőmérsékletre való hűtése azonban sok költséget igényel. Sőt, minél közelebb van az abszolút nullához - annál nagyobb a költség. Sőt, a függőség nemlineáris, még erősebb, mint a fordítottan arányos függőség.

A kriogén régió hőmérsékleti skáláját rendszerint több területre osztják a cseppfolyósított gázok forráspontja szerint: hélium (4,2 K alatt), hidrogén 20,5 K, nitrogén 77 K, oxigén 90 K, ammónia (-33) °C). Ha olyan anyagot találunk, amelynek forráspontja hidrogén közelében vagy felett van, akkor a kábel üzemi állapotának fenntartása tízszer alacsonyabb lesz, mint a hélium hőmérséklete esetén. A nitrogénhőmérsékletre való áttéréskor több nagyságrendű nyereség lenne. Ezért a hélium hőmérsékleten működő szupravezető anyagok - bár több mint 80 évvel ezelőtt fedezték fel őket - még mindig nem találtak alkalmazást az energiaágazatban.

Megjegyzendő, hogy a működő kriogén eszköz kifejlesztésének későbbi kísérleteit a technológiai áttörések után hajtják végre. A technológiai fejlődés olyan ötvözetekhez vezet, amelyek a legjobb kritikus indukciós és hőmérsékleti jellemzőkkel rendelkeznek.

Tehát a 70-es évek elején fellendülés történt a stannide niobium vizsgálatában Nb₃Sn. B-vel rendelkezik_a = 22 T és T_a= 18 K. Ezekben a szupravezetőkben azonban, a fémekkel szemben, a szupravezető hatás bonyolultabb. Kiderül, hogy két kritikus B értékük van_c0 és B_c1.  

A köztük lévő hézagban az anyagnak nincs ellenállása az egyenáramnak, de véges a ellenállása a váltakozó árammal szemben. És bár In_c0 elég nagy, de a második kritikus indukció értéke B_c1 alig különbözik a fémek megfelelő értékeitől. Az "egyszerű" szupravezetőket az első típusú szupravezetőknek, a "komplex" a második típusú szupravezetőknek nevezzük.

Az új intermetallikus vegyületek nem rendelkeznek a fémek rugalmasságával, ezért egyidejűleg megoldódott a kérdés, hogyan lehet törékeny anyagokból meghosszabbított elemeket, például huzalokat előállítani.Számos lehetőséget fejlesztettek ki, többek között olyan kompozitok létrehozását, mint pl. Rétegtorta műanyag fémekkel, például réz, az intermetál rétegzése réz hordozóra stb., Ami hasznos volt a szupravezető kerámia fejlesztésében.

Szupravezető kerámia

A szupravezetőképesség vizsgálatának következő radikális lépése az oxidrendszerek szupravezető képességének megkísérlése volt. A fejlesztők homályos gondolata az volt, hogy változó vegyértékű anyagokat tartalmazó rendszerekben a szupravezető képesség magasabb hőmérsékleten lehetséges. Bináris rendszerek, azaz két különböző oxidból áll. Nem volt lehetséges szupravezető képességet találni. És csak hármas rendszerekben Bao La₂O₃-CuO 1986-ban a szupravezetõ képességet 30-35 K hõmérsékleten detektálták. Erre a munkára Bednorts és Muller a következõben kapta meg a Nobel-díjat: (!!) 1987

A rokon vegyületek intenzív tanulmányozása az év során a rendszer szupravezető képességének felfedezéséhez vezetett BaO-Y₂O₃-CuO 90 K hőmérsékleten. A szupravezető képességet egy még összetettebb rendszerben kapjuk meg, amelynek képlete YBa₂Cu₃O_7-d. érték d a legmagasabb hőmérsékleten szupravezető anyag esetén 0,2. Ez nem csupán a kiindulási oxidok bizonyos százalékát, hanem csökkentett oxigéntartalmat jelent.

Valójában, ha valenciával számoljuk, akkor ittrium - 3, bárium - kettő, réz 1 vagy 2. A fémek teljes valenciája 10 vagy 13, az oxigén pedig kicsit kevesebb, mint 14. Ezért ebben a kerámiaban túl sok az oxigén a sztöchiometrikushoz képest. arány.

A kerámiákat hagyományos kerámia technológiával állítják elő. Hogyan készíthetünk vezetékeket törékeny anyagból? Az egyik módszer szerint a port megfelelő oldószerben szuszpendálják, majd az oldatot egy szerszámon keresztül kényszerítik, szárítják és feltekercselik a dobra. A ligamentum végleges eltávolítását égetéssel hajtják végre, a huzal kész. Az ilyen szálak tulajdonságai: kritikus hőmérsékletek 90-82 K, 100 K r= 12 mOhm · cm (nagyjából mint a grafit), kritikus áram sűrűsége 4000 A / m².

Hagyjuk az utolsó számjegyet. Ez az érték az energiaágazatban történő felhasználás szempontjából rendkívül alacsony. Összehasonlítva a gazdasági áram sűrűségével (~1 A / mm²) szerint a kerámiában az áramsűrűség 250-szer alacsonyabb. A tudósok megvizsgálták ezt a kérdést, és arra a következtetésre jutottak, hogy a nem szupravezető kapcsolatok felelősek. Valójában az egyes kristályok olyan sűrűséget értek el, amely eléri a gazdasági áramsűrűséget. És az elmúlt két vagy három évben olyan kerámiahuzalokat kaptunk, amelyek áramsűrűsége meghaladja a gazdasági áramsűrűséget.

1999-ben Japánban üzembe helyezték a két metróállomást összekötő szupravezető kábelt. A kábelt "szendvics" technológiával készítik, azaz a benne található törékeny kerámia két rétegben helyezkedik el az elasztikus és az elasztikus réz között. A szigetelés és ugyanakkor a hűtőközeg folyékony nitrogén.

Ön szerint mi a kábel egyik fő problémája? Gondolhatja, hogy ezeket a kérdéseket korábban már tárgyalták az elszigeteltséggel kapcsolatban. Kiderült, hogy egy olyan csodálatos dielektrikum, mint a folyékony nitrogén dielektromos vesztesége felmelegíti, ami folyamatos gondot igényel a további hűtés érdekében.

De énne add fel, és a japán hírügynökségek szerint a TEPCO szándékozik létrehozni az első szupravezető hálózatokat, amelyek villamos energiát szállítanak a lakóépületekbe. Az első szakaszban körülbelül 300 kilométernyi kábelt fektetnek Jokohamába, amely körülbelül félmillió épületet fog lefedni!