In de nabije toekomst zullen alle stroomkabels van supergeleidende materialen worden gemaakt

Het principe van supergeleiding. Magnetisch veld effect

De stroom van stroom in geleiders wordt altijd geassocieerd met energieverliezen, d.w.z. met de overgang van energie van elektrisch naar thermisch. Deze overgang is onomkeerbaar, de omgekeerde overgang wordt alleen geassocieerd met de voltooiing van het werk, zoals de thermodynamica hierover spreekt. Er is echter de mogelijkheid om thermische energie om te zetten in elektrische energie en de zogenaamde thermo-elektrisch effect, wanneer twee contacten van twee geleiders worden gebruikt, waarvan er één wordt verwarmd en de andere wordt gekoeld.

In feite, en dit feit is verrassend, er zijn een aantal geleiders waarin, onder bepaalde omstandigheden, er geen energieverlies is tijdens de stroomstroom! In de klassieke fysica is dit effect onverklaarbaar.

Volgens de klassieke elektronische theorie vindt de beweging van een ladingsdrager plaats in een elektrisch veld dat uniform wordt versneld totdat het botst met een structureel defect of met een trilling van het rooster. Na een botsing, als het niet-elastisch is, zoals een botsing van twee plasticineballen, verliest een elektron energie en brengt het over op een rooster van metaalatomen. In dit geval kan er in principe geen supergeleiding zijn.

Het blijkt dat supergeleiding alleen verschijnt als rekening wordt gehouden met kwantumeffecten. Het is moeilijk voor te stellen. Een zwak idee van het supergeleidingsmechanisme kan worden verkregen uit de volgende overwegingen.

Het blijkt, gegeven dat het elektron het atoom van het dichtstbijzijnde rooster kan polariseren, d.w.z. trek het iets naar je toe vanwege de werking van de Coulomb-kracht, dan zal dit roosteratoom het volgende elektron iets verschuiven. Een binding van een paar elektronen wordt gevormd.

Wanneer het elektron beweegt, neemt de tweede component van het paar als het ware de energie waar die het elektron overbrengt naar het atoom van het rooster. Het blijkt dat als we rekening houden met de energie van een paar elektronen, deze niet verandert tijdens een botsing, d.w.z. verlies van elektronenergie treedt niet op! Dergelijke elektronenparen worden Cooper-paren genoemd.

Over het algemeen is het moeilijk te begrijpen voor een persoon met gevestigde fysieke ideeën. Het is gemakkelijker voor u om te begrijpen, u kunt het tenminste als vanzelfsprekend beschouwen.

supergeleidingook supervloeibaarheidwerden gevonden in experimenten bij ultra lage temperaturen, bijna absoluut nul temperaturen. Wanneer u het absolute nulpunt nadert, bevriezen de triltrillingen. De weerstand tegen stroomafname neemt zelfs af volgens de klassieke theorie, maar tot nul bij een bepaalde kritische temperatuur T_met, het neemt alleen af ​​volgens de kwantumwetten.

Supergeleiding werd ontdekt door twee fenomenen: ten eerste over het verdwijnen van elektrische weerstand en ten tweede over diamagnetisme. Het eerste fenomeen is duidelijk - als u een bepaalde stroom passeert ik door de geleider en vervolgens door de spanningsval U op de geleider kunt u de weerstand bepalen R = U / I. Het verdwijnen van spanning betekent het verdwijnen van weerstand als zodanig.

Het tweede fenomeen vereist een meer gedetailleerde overweging. Logischerwijs is het gebrek aan weerstand identiek aan de absolute diamagnetische aard van het materiaal. Stel je inderdaad een beetje ervaring voor. We zullen supergeleidend materiaal in het gebied van het magnetische veld introduceren. Volgens de Joule-Lenz-wet moet er een stroom in de geleider optreden die de verandering in magnetische flux volledig compenseert, d.w.z. de magnetische flux door de supergeleider was beide nul en blijft nul. In een conventionele geleider vervalt deze stroom, omdat de geleider heeft een weerstand. Alleen dan dringt een magnetisch veld de geleider binnen. In een supergeleider vervaagt het niet.Dit betekent dat de stromende stroom leidt tot een volledige compensatie van het magnetische veld in zichzelf, d.w.z. het veld dringt er niet doorheen. Formeel gezien betekent een nulveld dat de magnetische permeabiliteit van het materiaal nul is, m = 0 d.w.z. het lichaam manifesteert zich als een absolute diamagnet.

Deze fenomenen zijn echter alleen karakteristiek voor zwakke magnetische velden. Het blijkt dat een sterk magnetisch veld in het materiaal kan doordringen, het vernietigt bovendien zelf de supergeleiding! Introduceer het concept van kritisch veld B_metdie een supergeleider vernietigt. Het hangt af van de temperatuur: maximaal bij een temperatuur dicht bij nul, verdwijnt bij overgang naar een kritische temperatuur T_met. Waarom is het belangrijk voor ons om de spanning (of inductie) te kennen waarbij supergeleiding verdwijnt? Het feit is dat wanneer een stroom door een supergeleider stroomt, er fysiek een magnetisch veld rond de geleider wordt gecreëerd, dat op de geleider zou moeten werken.

Bijvoorbeeld voor een cilindrische geleider met straal r geplaatst in een medium met magnetische permeabiliteit mzal magnetische inductie op het oppervlak in overeenstemming met de wet van Bio-Savard-Laplace zijn

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Hoe groter de stroom, hoe groter het veld. Dus met enige inductie (of spanning) verdwijnt supergeleiding en daarom kan alleen een stroom minder dan die welke kritische inductie creëert door de geleider worden geleid.

Voor een supergeleidend materiaal hebben we dus twee parameters: kritische magnetische veldinductie B_met en kritische temperatuur T_met.  

Voor metalen zijn kritische temperaturen bijna absoluut nul. Dit is het gebied van de zogenaamde "Helium" -temperaturen, vergelijkbaar met het kookpunt van helium (4,2 K). Wat kritische inductie betreft, kunnen we zeggen dat deze relatief klein is. Het kan worden vergeleken met inductie in transformatoren (1-1,5 T). Of bijvoorbeeld met inductie in de buurt van de draad. We berekenen bijvoorbeeld inductie in lucht nabij een draad met een straal van 1 cm met een stroom van 100 A.

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

Als we in expressie (1) substitueren, verkrijgen we B = 2 mT, d.w.z. een waarde die ongeveer overeenkomt met kritisch. Dit betekent dat als een dergelijke geleider in een stroomlijn wordt geplaatst, bijvoorbeeld 6 kV, het maximale vermogen dat via elke fase kan worden overgedragen P is_m = U_f· I = 600 kW. Het beschouwde voorbeeld laat zien dat het intrinsieke magnetische veld het vermogen beperkt om vermogen over te dragen via een cryogene draad. Bovendien, hoe dichter de temperatuur bij de kritische temperatuur, hoe lager de kritische inductiewaarde.

Supergeleiders bij lage temperatuur

Hierboven heb ik me al gericht op enkele specifieke supergeleidende materialen. In principe is de eigenschap van supergeleiding kenmerkend voor bijna alle materialen. Alleen voor de meest elektrisch geleidende - koper, zilver (paradox?) Supergeleiding wordt niet gedetecteerd. De specifieke toepassing van supergeleiding in de energiesector is verleidelijk: het hebben van verliesvrije stroomkabels zou geweldig zijn. Een andere toepassing is een generator met supergeleidende wikkelingen. Een monster van een dergelijke generator werd ontwikkeld in St. Petersburg en succesvolle tests werden uitgevoerd. De derde optie is een elektromagneet, waarvan de inductie op een gecontroleerde manier kan worden geregeld, afhankelijk van de stroomsterkte.

Een ander voorbeeld is een supergeleidende inductieve opslag. Stel je een enorme spoel van supergeleidende geleider voor. Als u er op een of andere manier stroom in injecteert en de invoer- en uitvoerdraden sluit, zal de stroom in de spoel voor onbepaalde tijd blijven stromen. In overeenstemming met een bekende wet zal energie worden ingesloten in een spoel

W = l× ik²/2

waarin L- spoelinductie. Hypothetisch kan men zich voorstellen dat er op een bepaald moment overtollige energie in het energiesysteem is, energie wordt onttrokken aan zo'n opslagapparaat. Hier wordt het zo lang als nodig opgeslagen tot de behoefte aan energie. Daarna wordt het geleidelijk, regelbaar teruggepompt in het voedingssysteem.

In de fysica en de technologie van supergeleiding zijn er ook analogen met lage stroomsterkte van de radio-elementen van conventionele elektronica. In de systemen "supergeleider - een dunne laag resistief metaal (of diëlektrisch) - supergeleider" zijn bijvoorbeeld een aantal nieuwe fysieke effecten mogelijk die al in de elektronica worden gebruikt. Dit is de kwantisatie van de magnetische flux in een ring die een dergelijk element bevat, de mogelijkheid van een abrupte stroomverandering afhankelijk van de spanning wanneer het systeem wordt blootgesteld aan zwakke straling en standaard spanningsbronnen die op dit principe zijn gebouwd met een nauwkeurigheid van 10^-10 B. Daarnaast zijn er opslagelementen, analoog-digitaalomzetters, enz. Er zijn zelfs enkele supergeleidende computerontwerpen.

De urgentie van het probleem van microminiaturisatie met behulp van halfgeleiders is dat zelfs een kleine afgifte van energie in een zeer klein volume kan leiden tot aanzienlijke oververhitting en het probleem van warmteafvoer is acuut.

Dit probleem is vooral relevant voor supercomputers. Het blijkt dat microchips lokale warmtefluxen kilowatt per vierkante centimeter kunnen bereiken. Het is niet mogelijk om warmte op de gebruikelijke manier af te voeren, door lucht te blazen. Ze stelden voor het geval van microschakelingen te verwijderen en het microkristal rechtstreeks op te blazen. Hier ontstond het probleem van slechte warmteoverdracht naar de lucht. De volgende stap was om alles met vloeistof te vullen en warmte te verwijderen door de vloeistof op deze elementen te koken. De vloeistof moet erg schoon zijn, geen microdeeltjes bevatten en geen van de vele elementen van de computer uitwassen. Tot nu toe zijn deze problemen nog niet volledig opgelost. Onderzoek wordt uitgevoerd met organische fluorvloeistoffen.

In supergeleidende computers zijn er geen dergelijke problemen, omdat geen verlies. Het koelen van de apparatuur tot cryogene temperaturen vereist echter veel kosten. Bovendien, hoe dichter bij het absolute nulpunt, hoe hoger de kosten. Bovendien is de afhankelijkheid niet-lineair, hij is zelfs sterker dan de omgekeerd evenredige afhankelijkheid.

De temperatuurschaal in het cryogene gebied is conventioneel verdeeld in verschillende gebieden volgens de kookpunten van vloeibaar gemaakte gassen: helium (minder dan 4,2 K), waterstof 20,5 K, stikstof 77 K, zuurstof 90 K, ammoniak (-33 °C). Als we een materiaal met een kookpunt in de buurt van of boven waterstof zouden vinden, zouden de kosten om de kabel in werkende staat te houden tien keer lager zijn dan voor heliumtemperaturen. Bij overgang naar stikstoftemperaturen zou er een winst zijn met verschillende orden van grootte. Daarom hebben supergeleidende materialen die bij heliumtemperaturen werken, hoewel ze meer dan 80 jaar geleden werden ontdekt, nog steeds geen toepassing gevonden in de energiesector.

Opgemerkt kan worden dat opeenvolgende pogingen om een ​​werkend cryogeen apparaat te ontwikkelen worden gedaan na elk van de technologische doorbraken. De technologische vooruitgang heeft geleid tot legeringen met de beste kritische inductie- en temperatuurkenmerken.

Dus in de vroege jaren 70 was er een boom in de studie van stannide niobium Nb₃Sn. Hij heeft B_met = 22 T en T_met= 18 K. In deze supergeleiders is het effect van supergeleiding echter, in tegenstelling tot metalen, gecompliceerder. Het blijkt dat ze twee waarden hebben van de kritische spanning B_c0 en B._c1.  

In de tussenruimte tussen hen heeft het materiaal geen weerstand tegen gelijkstroom, maar heeft het een eindige weerstand tegen wisselstroom. En hoewel in_c0 groot genoeg, maar de waarden van de tweede kritische inductie B_c1 verschilt weinig van de overeenkomstige waarden voor metalen. "Eenvoudige" supergeleiders worden supergeleiders van de eerste soort genoemd en "complexe" supergeleiders van de tweede soort.

Nieuwe intermetallische verbindingen hebben niet de ductiliteit van metalen, dus de vraag werd tegelijkertijd opgelost hoe uitgebreide elementen zoals draden van brosse materialen kunnen worden gemaakt.Verschillende opties zijn ontwikkeld, waaronder het maken van composieten zoals een laagkoek met plastic metalen, zoals koper, de afzetting van intermetalen op een kopersubstraat, enz., Wat nuttig was bij de ontwikkeling van supergeleidend keramiek.

Supergeleidend keramiek

De volgende radicale stap in de studie van supergeleiding was een poging om supergeleiding in oxidesystemen te vinden. Het vage idee van de ontwikkelaars was dat in systemen met stoffen met variabele valentie supergeleiding mogelijk is, en bij hogere temperaturen. Binaire systemen, d.w.z. bestaande uit twee verschillende oxiden. Het was niet mogelijk om supergeleiding te vinden. En alleen in drievoudige systemen BaO-La₂O₃-CuO in 1986 werd supergeleiding waargenomen bij een temperatuur van 30-35 K. Voor dit werk ontvingen Bednorts en Muller de Nobelprijs in het volgende, (!!) 1987

Intensieve studies van gerelateerde verbindingen gedurende het jaar hebben geleid tot de ontdekking van supergeleiding in het systeem BaO-Y₂O₃-CuO bij een temperatuur van 90 K. In feite wordt supergeleiding verkregen in een nog complexer systeem, waarvan de formule kan worden weergegeven als YBa₂Cu₃O_7-d. waarde d voor de hoogste temperatuur is supergeleidend materiaal 0,2. Dit betekent niet alleen een bepaald percentage van de uitgangsoxiden, maar ook een verlaagd zuurstofgehalte.

Inderdaad, als je berekent op valentie, dan is yttrium - 3, barium - twee, koper 1 of 2. Dan hebben de metalen een totale valentie van 10 of 13, en zuurstof heeft iets minder dan 14. Daarom is er in deze keramiek een overmaat zuurstof ten opzichte van de stoichiometrische ratio.

Keramiek wordt geproduceerd met behulp van conventionele keramische technologie. Hoe draden maken van een breekbare stof? Op één manier wordt een suspensie van het poeder gemaakt in een geschikt oplosmiddel, waarna de oplossing door een matrijs wordt geperst, gedroogd en op een trommel wordt gewikkeld. De definitieve verwijdering van het ligament wordt uitgevoerd door te branden, de draad is klaar. Eigenschappen van dergelijke vezels: kritische temperaturen 90-82 K, bij 100 K r= 12 mOhm · cm, (ongeveer zoals grafiet), kritische stroomdichtheid 4000 A / m².

Laten we stilstaan ​​bij het laatste cijfer. Deze waarde is extreem laag voor gebruik in de energiesector. Vergelijking met economische stroomdichtheid (~1 A / mm²), is te zien dat in keramiek de stroomdichtheid 250 keer lager is. Wetenschappers hebben deze kwestie onderzocht en kwamen tot de conclusie dat niet-supergeleidende contacten de schuld hebben. Inderdaad hebben enkele kristallen stroomdichtheden verkregen die de economische stroomdichtheid bereiken. En in de laatste twee of drie jaar zijn keramische draden verkregen, waarvan de stroomdichtheid de economische stroomdichtheid overschrijdt.

In 1999 werd een supergeleidende kabel tussen twee metrostations in gebruik genomen in Japan. De kabel is gemaakt met behulp van de technologie van "sandwich", d.w.z. fragiel keramiek daarin bevindt zich tussen twee lagen elastisch en ductiel koper. De isolatie en tegelijkertijd het koelmiddel is vloeibare stikstof.

Wat is volgens u een van de grootste problemen met deze kabel? U kunt raden dat deze problemen eerder zijn besproken met betrekking tot isolatie. Het blijkt dat het diëlektrische verlies in zo'n prachtig diëlektricum als vloeibare stikstof het opwarmt, wat constante zorg vereist voor extra koeling.

Maar ikgeef niet op, en volgens persagentschappen in Japan is TEPCO van plan de eerste supergeleidende netwerken te creëren voor het leveren van elektriciteit aan woongebouwen. In de eerste fase zullen ongeveer 300 kilometer van dergelijke kabels worden gelegd in Yokohama, dat ongeveer een half miljoen gebouwen zal beslaan!