Nel prossimo futuro, tutti i cavi di alimentazione saranno realizzati con materiali superconduttori

Il principio di superconduttività. Effetto campo magnetico

Il flusso di corrente nei conduttori è sempre associato a perdite di energia, ad es. con la transizione di energia da elettrica a termica. Questa transizione è irreversibile, la transizione inversa è associata solo al completamento del lavoro, poiché la termodinamica ne parla. Vi è, tuttavia, la possibilità di convertire l'energia termica in energia elettrica e di utilizzare il cosiddetto effetto termoelettrico, quando vengono utilizzati due contatti di due conduttori, uno dei quali viene riscaldato e l'altro viene raffreddato.

In effetti, e questo fatto è sorprendente, ci sono un certo numero di conduttori in cui, in determinate condizioni, non vi è alcuna perdita di energia durante il flusso di corrente! Nella fisica classica, questo effetto è inspiegabile.

Secondo la teoria elettronica classica, il movimento di un portatore di carica avviene in un campo elettrico uniformemente accelerato fino a quando non si scontra con un difetto strutturale o con una vibrazione reticolare. Dopo una collisione, se non è elastico, come una collisione di due sfere di plastilina, un elettrone perde energia, trasferendola in un reticolo di atomi di metallo. In questo caso, in linea di principio, non può esserci superconduttività.

Si scopre che la superconduttività appare solo quando si prendono in considerazione gli effetti quantistici. È difficile immaginarlo. Qualche idea debole del meccanismo di superconduttività può essere ottenuta dalle seguenti considerazioni.

Si scopre, dato che l'elettrone può polarizzare l'atomo del reticolo più vicino ad esso, cioè tiralo leggermente verso di te a causa dell'azione della forza di Coulomb, quindi questo atomo reticolare sposta leggermente l'elettrone successivo. Si forma un legame di una coppia di elettroni.

Quando l'elettrone si muove, il secondo componente della coppia, per così dire, percepisce l'energia che l'elettrone trasferisce all'atomo del reticolo. Si scopre che se prendiamo in considerazione l'energia di una coppia di elettroni, allora non cambia durante una collisione, ad es. la perdita di energia elettronica non si verifica! Tali coppie di elettroni sono chiamate coppie di Cooper.

In generale, è difficile da capire per una persona con idee fisiche consolidate. È più facile per te capire, almeno puoi darlo per scontato.

superconduttivitàanche superfluiditàsono stati trovati in esperimenti a temperature ultra-basse, quasi a temperature zero assolute. Quando ci si avvicina allo zero assoluto, le vibrazioni reticolari si congelano. La resistenza al flusso di corrente diminuisce anche secondo la teoria classica, ma a zero a una certa temperatura critica T_con, diminuisce solo secondo le leggi quantistiche.

La superconduttività è stata scoperta da due fenomeni: in primo luogo, sul fatto della scomparsa della resistenza elettrica, e in secondo luogo, sul diamagnetismo. Il primo fenomeno è chiaro: se passi una certa corrente io attraverso il conduttore, quindi dalla caduta di tensione U sul conduttore è possibile determinare la resistenza R = U / I. La scomparsa della tensione significa la scomparsa della resistenza in quanto tale.

Il secondo fenomeno richiede una considerazione più dettagliata. Logicamente, la mancanza di resistenza è identica alla natura diamagnetica assoluta del materiale. Anzi, immagina una piccola esperienza. Introdurremo materiale superconduttore nella regione del campo magnetico. Secondo la legge di Joule-Lenz, nel conduttore deve essere presente una corrente che compensa completamente la variazione del flusso magnetico, ad es. il flusso magnetico attraverso il superconduttore era sia zero che rimane zero. In un conduttore convenzionale, questa corrente decade, perché il conduttore ha una resistenza. Solo allora un campo magnetico penetra nel conduttore. In un superconduttore, non si sbiadisce.Ciò significa che la corrente che scorre porta a una completa compensazione del campo magnetico all'interno di se stesso, cioè il campo non penetra in esso. Da un punto di vista formale, un campo zero significa che la permeabilità magnetica del materiale è zero, m = 0 cioè il corpo si manifesta come un diamagnet assoluto.

Tuttavia, questi fenomeni sono caratteristici solo per campi magnetici deboli. Si scopre che un forte campo magnetico può penetrare nel materiale, inoltre, distrugge la superconduttività stessa! Introdurre il concetto di campo critico B_conche distrugge un superconduttore. Dipende dalla temperatura: massimo a una temperatura vicina allo zero, scompare al passaggio ad una temperatura critica T_con. Perché è importante per noi conoscere la tensione (o induzione) alla quale scompare la superconduttività? Il fatto è che quando una corrente fluisce attraverso un superconduttore, un campo magnetico viene creato fisicamente attorno al conduttore, che dovrebbe agire sul conduttore.

Ad esempio, per un conduttore cilindrico di raggio r posizionato in un mezzo con permeabilità magnetica m, sarà l'induzione magnetica sulla superficie in conformità con la legge di Bio-Savard-Laplace

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Maggiore è la corrente, maggiore è il campo. Pertanto, con una certa induzione (o tensione), la superconduttività scompare, e quindi solo una corrente inferiore a quella che crea induzione critica può essere passata attraverso il conduttore.

Pertanto, per un materiale superconduttore, abbiamo due parametri: induzione del campo magnetico critico B_con e temperatura critica T_con.  

Per i metalli, le temperature critiche sono vicine alle temperature zero assolute. Questa è l'area del cosiddetto Temperature "elio", comparabili con il punto di ebollizione dell'elio (4,2 K). Per quanto riguarda l'induzione critica, possiamo dire che è relativamente piccolo. Può essere confrontato con l'induzione nei trasformatori (1-1,5 T). O ad esempio con induzione vicino al filo. Ad esempio, calcoliamo l'induzione in aria vicino a un filo con un raggio di 1 cm con una corrente di 100 A.

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

Sostituendo in espressione (1) otteniamo B = 2 mT, cioè un valore approssimativamente corrispondente a critico. Ciò significa che se un tale conduttore viene inserito in una linea di alimentazione, ad esempio 6 kV, la potenza massima che può essere trasmessa attraverso ciascuna fase sarà P_m = U_f· I = 600 kW. L'esempio considerato mostra che il campo magnetico intrinseco limita la capacità di trasferire energia attraverso un filo criogenico. Inoltre, più la temperatura è vicina alla temperatura critica, più basso è il valore di induzione critico.

Superconduttori a bassa temperatura

Sopra, mi sono già concentrato su alcuni materiali superconduttori specifici. In linea di principio, la proprietà della superconduttività è caratteristica di quasi tutti i materiali. Solo per i più elettricamente conduttivi - la superconduttività di rame, argento (paradosso?) Non viene rilevata. L'applicazione specifica della superconduttività nel settore energetico è allettante: avere linee elettriche senza perdite sarebbe meraviglioso. Un'altra applicazione è un generatore con avvolgimenti superconduttori. Un campione di tale generatore è stato sviluppato a San Pietroburgo e sono stati condotti test di successo. La terza opzione è un elettromagnete, la cui induzione può essere controllata in modo controllato a seconda della forza corrente.

Un altro esempio è una memoria induttiva superconduttiva. Immagina un'enorme bobina di conduttore superconduttore. Se inietti corrente in qualche modo e chiudi i fili di ingresso e di uscita, la corrente nella bobina scorrerà indefinitamente. Secondo una legge ben nota, l'energia sarà racchiusa in una bobina

W = l× io²/2

dove L- induttanza della bobina. Ipoteticamente, si può immaginare che ad un certo punto nel tempo vi sia un eccesso di energia nel sistema energetico, l'energia viene prelevata da esso in un tale dispositivo di accumulo. Qui è conservato per tutto il tempo necessario fino al bisogno di energia. Quindi viene gradualmente reimpostato in modo controllabile nel sistema di alimentazione.

In fisica e nella tecnologia della superconduttività, ci sono anche analoghi a bassa corrente degli elementi radio dell'elettronica convenzionale. Ad esempio, nei sistemi "superconduttore - un sottile strato di metallo resistivo (o dielettrico) - superconduttore" sono possibili numerosi nuovi effetti fisici che sono già utilizzati nell'elettronica. Questa è la quantizzazione del flusso magnetico in un anello contenente tale elemento, la possibilità di un brusco cambiamento di corrente a seconda della tensione quando il sistema è esposto a radiazioni deboli e fonti di tensione standard costruite su questo principio con una precisione di 10^-10 B. Inoltre, ci sono elementi di memorizzazione, convertitori da analogico a digitale, ecc. Esistono anche alcuni progetti di computer superconduttori.

L'urgenza del problema della microminiaturizzazione mediante semiconduttori è che anche un piccolo rilascio di energia in un volume molto piccolo può portare a un significativo surriscaldamento e il problema della dissipazione del calore è acuto.

Questo problema è particolarmente rilevante per i supercomputer. Si scopre che i flussi di calore locali dei microchip possono raggiungere i chilowatt per centimetro quadrato. Non è possibile rimuovere il calore nel solito modo, soffiando aria. Hanno suggerito di rimuovere il caso dei microcircuiti e di soffiare direttamente il microcristallo. Qui è sorto il problema del cattivo trasferimento di calore nell'aria. Il passo successivo è stato quello di riempire tutto con liquido e rimuovere il calore facendo bollire il liquido su questi elementi. Il liquido deve essere molto pulito, non contenere microparticelle, non lavare nessuno dei molti elementi del computer. Finora, questi problemi non sono stati completamente risolti. La ricerca è condotta con fluidi organofluorinici.

Nei computer superconduttori, non ci sono tali problemi, perché nessuna perdita. Tuttavia, il raffreddamento dell'apparecchiatura a temperature criogeniche richiede molti costi. Inoltre, più si avvicina allo zero assoluto, maggiore è il costo. Inoltre, la dipendenza non è lineare, è persino più forte della dipendenza inversamente proporzionale.

La scala di temperatura nella regione criogenica è convenzionalmente suddivisa in diverse aree in base ai punti di ebollizione dei gas liquefatti: elio (inferiore a 4,2 K), idrogeno 20,5 K, azoto 77 K, ossigeno 90 K, ammoniaca (-33 °C). Se fosse possibile trovare un materiale con un punto di ebollizione vicino o sopra l'idrogeno, il costo per mantenere il cavo in condizioni di lavoro sarebbe dieci volte inferiore rispetto alle temperature dell'elio. Al passaggio alle temperature dell'azoto, si otterrebbe un guadagno di diversi ordini di grandezza. Pertanto, i materiali superconduttori che operano alle temperature dell'elio, sebbene siano stati scoperti più di 80 anni fa, non hanno ancora trovato applicazione nel settore energetico.

Si può notare che i successivi tentativi di sviluppare un dispositivo criogenico operativo vengono fatti dopo ciascuna delle innovazioni tecnologiche. I progressi tecnologici hanno portato a leghe con le migliori caratteristiche di induzione e temperatura critiche.

Quindi nei primi anni '70 c'è stato un boom nello studio del niobio di stannide Nb₃Sn. Ha B_con = 22 T e T_con= 18 K. Tuttavia, in questi superconduttori, a differenza dei metalli, l'effetto della superconduttività è più complicato. Si scopre che hanno due valori della tensione critica B_c0 e B_c1.  

Nel divario tra loro, il materiale non ha resistenza alla corrente continua, ma ha una resistenza finita alla corrente alternata. E sebbene In_c0 abbastanza grande, ma i valori della seconda induzione critica B_c1 differisce poco dai valori corrispondenti per i metalli. I superconduttori "semplici" sono chiamati superconduttori del primo tipo e "complessi" - superconduttori del secondo tipo.

I nuovi composti intermetallici non hanno la duttilità dei metalli, quindi la domanda è stata simultaneamente risolta su come realizzare elementi estesi come fili da materiali fragili.Sono state sviluppate diverse opzioni, tra cui la creazione di compositi come una torta a strati con metalli plastici, come il rame, la deposizione di intermetalli su un substrato di rame, ecc., Utile per lo sviluppo di ceramiche superconduttive.

Ceramica superconduttiva

Il prossimo passo radicale nello studio della superconduttività è stato il tentativo di trovare la superconduttività nei sistemi di ossido. L'idea vaga degli sviluppatori era che nei sistemi contenenti sostanze con superconduttività a valenza variabile sia possibile e a temperature più elevate. Sistemi binari, ad es. costituito da due diversi ossidi. Non è stato possibile trovare la superconduttività. E solo nei sistemi tripli Bao-La₂O₃-CuO nel 1986, la superconduttività fu rilevata ad una temperatura di 30-35 K. Per questo lavoro, Bednorts e Muller ricevettero il premio Nobel nel seguente (!!) 1987

Gli studi intensivi sui composti correlati durante l'anno hanno portato alla scoperta della superconduttività nel sistema BaO-Y₂O₃-CuO ad una temperatura di 90 K. In effetti, la superconduttività si ottiene in un sistema ancora più complesso, la cui formula può essere rappresentata come YBa₂Cu₃O_7-d. valore d per la massima temperatura il materiale superconduttore è 0,2. Ciò significa non solo una certa percentuale di ossidi di partenza, ma anche un ridotto contenuto di ossigeno.

Infatti, se si calcola per valenza, quindi ittrio - 3, bario - due, rame 1 o 2. Quindi i metalli hanno una valenza totale di 10 o 13 e l'ossigeno ha un po 'meno di 14. Pertanto, in questa ceramica c'è un eccesso di ossigeno rispetto allo stechiometrico rapporto.

La ceramica viene prodotta utilizzando la tradizionale tecnologia ceramica. Come realizzare fili da una sostanza fragile? In un modo, viene fatta una sospensione della polvere in un solvente adatto, quindi la soluzione viene forzata attraverso uno stampo, asciugata e avvolta su un tamburo. La rimozione finale del legamento viene eseguita bruciando, il filo è pronto. Proprietà di tali fibre: temperature critiche 90-82 K, a 100 K r= 12 mOhm · cm, (approssimativamente simile alla grafite), densità di corrente critica 4000 A / m².

Soffermiamoci sull'ultima cifra. Questo valore è estremamente basso per l'uso nel settore energetico. Confronto con la densità di corrente economica (~1 A / mm²), si vede che in ceramica la densità attuale è 250 volte inferiore. Gli scienziati hanno studiato questo problema e sono giunti alla conclusione che la colpa è dei contatti che non sono superconduttori. In effetti, i singoli cristalli hanno ottenuto densità di corrente che raggiungono la densità di corrente economica. E negli ultimi due o tre anni sono stati ottenuti fili di ceramica la cui densità di corrente supera la densità di corrente economica.

Nel 1999, in Giappone è stato commissionato un cavo superconduttore che collega due stazioni della metropolitana. Il cavo è realizzato utilizzando la tecnologia di "sandwich", ovvero la ceramica fragile al suo interno si trova tra due strati di rame elastico e duttile. L'isolante e, allo stesso tempo, il refrigerante è azoto liquido.

Quale pensi sia uno dei problemi principali con questo cavo? Si può immaginare che questi problemi siano stati precedentemente discussi in relazione all'isolamento. Si scopre che la perdita dielettrica in un dielettrico così meraviglioso come l'azoto liquido lo riscalda, il che richiede una cura costante per un ulteriore raffreddamento.

Ma ionon mollare e, secondo le agenzie di stampa giapponesi, TEPCO intende creare le prime reti superconduttrici per fornire elettricità agli edifici residenziali. Nella prima fase, circa 300 chilometri di tali cavi saranno posati a Yokohama, che coprirà circa mezzo milione di edifici!