V blízkej budúcnosti budú všetky silové káble vyrobené zo supravodivých materiálov

Zásada supravodivosti. Efekt magnetického poľa

Tok prúdu vo vodičoch je vždy spojený so stratami energie, t.j. s prechodom energie z elektrickej na tepelnú. Tento prechod je nezvratný, spätný prechod je spojený iba s dokončením práce, pretože termodynamika o tom hovorí. Existuje však možnosť premeny tepelnej energie na elektrickú energiu a využitie tzv termoelektrický efekt, keď sa použijú dva kontakty dvoch vodičov, z ktorých jeden je zahriaty a druhý je ochladený.

V skutočnosti a táto skutočnosť je prekvapujúca, existuje celý rad vodičov, v ktorých za určitých podmienok nedochádza k žiadnym stratám energie počas prúdu! V klasickej fyzike je tento účinok nevysvetliteľný.

Podľa klasickej elektronickej teórie sa pohyb nosiča náboja vyskytuje v elektrickom poli rovnomerne zrýchlenom, až kým nenarazí na štrukturálnu chybu alebo vibráciu mriežky. Po kolízii, ak je neelastická, ako zrážka dvoch plastelínových guličiek, elektrón stráca energiu a prenáša ju na mriežku atómov kovu. V tomto prípade v zásade nemôže existovať supravodivosť.

Ukazuje sa, že supravodivosť sa objaví iba vtedy, keď sa zohľadnia kvantové účinky. Je ťažké si to predstaviť. Niektoré slabé predstavy o supravodivom mechanizme možno získať z nasledujúcich úvah.

Ukázalo sa, že elektrón môže polarizovať atóm mriežky najbližšie k nemu, t. pritiahnite ju mierne k sebe vďaka pôsobeniu Coulombovej sily, potom tento atóm mriežky mierne posunie ďalší elektrón. Vytvorí sa väzba páru elektrónov tak, ako bola.

Keď sa elektrón pohybuje, druhá zložka páru vníma energiu, ktorú elektrón prenáša na atóm mriežky. Ukazuje sa, že ak vezmeme do úvahy energiu páru elektrónov, potom sa pri zrážke, t.j. nedochádza k strate elektrónovej energie! Takéto elektrónové páry sa nazývajú Cooperove páry.

Vo všeobecnosti je ťažké porozumieť osobe so zavedenými fyzickými myšlienkami. Je pre vás ľahšie pochopiť, aspoň to môžete považovať za samozrejmé.

supravodivosťrovnako superfluidityboli zistené pri experimentoch pri ultranízkych teplotách, takmer pri absolútne nulových teplotách. Keď sa blížite k absolútnej nule, vibrácie mriežky zamrznú. Odpor proti prúdu prúdu klesá dokonca aj podľa klasickej teórie, ale pri určitej kritickej teplote T k nule_s, klesá iba podľa kvantových zákonov.

Supravodivosť bola objavená dvoma javmi: po prvé, o zániku elektrického odporu a po druhé o diamagnetizme. Prvý jav je jasný - ak odovzdáte určitý prúd ja cez vodič, potom poklesom napätia U na vodiči môžete určiť odpor R = U / I. Zmiznutie napätia znamená zmiznutie odporu ako také.

Druhý jav si vyžaduje podrobnejšie zváženie. Logicky je nedostatok odporu totožný s absolútnou diamagnetickou povahou materiálu. Naozaj si predstavte malú skúsenosť. Do oblasti magnetického poľa predstavíme supravodivý materiál. Podľa Joule-Lenzovho zákona musí vo vodiči nastať prúd, ktorý úplne kompenzuje zmenu magnetického toku, t.j. magnetický tok cez supravodič bol nulový a zostal nulový. V bežnom vodiči sa tento prúd stráca, pretože vodič má odpor. Až potom prenikne vodičom magnetické pole. V supravodiči to nezmizne.To znamená, že tečúci prúd vedie k úplnej kompenzácii magnetického poľa vo vnútri, t.j. pole do nej neprenikne. Z formálneho hľadiska nulové pole znamená, že magnetická permeabilita materiálu je nula, m = 0 t. telo sa prejavuje ako absolútny diamagnet.

Tieto javy sú však charakteristické iba pre slabé magnetické polia. Ukazuje sa, že silné magnetické pole môže preniknúť do materiálu, navyše ničí samotnú supravodivosť! Zaviesť koncept kritického poľa B_sktorý ničí supravodič. Závisí to od teploty: maximum pri teplote blízkej nule zmizne po prechode na kritickú teplotu T_s, Prečo je pre nás dôležité poznať napätie (alebo indukciu), pri ktorom supravodivosť mizne? Faktom je, že keď prúd prúdi supravodičom, okolo vodiča sa fyzicky vytvorí magnetické pole, ktoré by malo pôsobiť na vodiča.

Napríklad pre valcový vodič s polomerom r umiestnený do média s magnetickou permeabilitou m, magnetická indukcia na povrchu bude v súlade so zákonom Bio-Savard-Laplace

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Čím väčší je prúd, tým väčšie je pole. Takže pri určitej indukcii (alebo napätí) supravodivosť zmizne, a preto vodičom môže prechádzať iba prúd menší ako prúd, ktorý vytvára kritickú indukciu.

Pre supravodivý materiál máme teda dva parametre: indukciu kritického magnetického poľa B_s a kritická teplota T_s.  

V prípade kovov sú kritické teploty takmer nulové teploty. Toto je oblasť tzv Teploty „hélia“ porovnateľné s bodom varu hélia (4,2 K). Pokiaľ ide o kritickú indukciu, môžeme povedať, že je relatívne malá. Môže sa porovnávať s indukciou v transformátoroch (1-1,5 T). Alebo napríklad indukciou v blízkosti vodiča. Napríklad vypočítame indukciu vzduchu okolo drôtu s polomerom 1 cm pri prúde 100 A.

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

Nahradením do výrazu (1) získame B = 2 mT, t. J. Hodnotu približne zodpovedajúcu kritickému. To znamená, že ak sa takýto vodič vloží do elektrického vedenia, napríklad 6 kV, maximálny výkon, ktorý sa môže prenášať cez každú fázu, bude P_m = U_F· I = 600 kW. Zvažovaný príklad ukazuje, že vlastné magnetické pole obmedzuje schopnosť prenášať energiu kryogénnym drôtom. Navyše, čím je teplota bližšie ku kritickej teplote, tým nižšia je kritická indukčná hodnota.

Supravodiče s nízkou teplotou

Hore som sa už sústredil na niektoré konkrétne supravodivé materiály. V zásade je vlastnosť supravodivosti charakteristická takmer pre všetky materiály. Iba pre elektricky vodivé - meď, striebro (paradox?). Supravodivosť nie je detekovaná. Konkrétne použitie supravodivosti v energetickom sektore je lákavé: mať bezstratové elektrické vedenia by bolo úžasné. Ďalšou aplikáciou je generátor so supravodivým vinutím. Vzorka tohto generátora bola vyvinutá v Petrohrade a boli vykonané úspešné testy. Treťou možnosťou je elektromagnet, ktorého indukcia sa dá regulovať regulovaným spôsobom v závislosti od intenzity prúdu.

Iným príkladom je supravodivé induktívne ukladanie. Predstavte si obrovskú cievku supravodivého vodiča. Ak do neho nejakým spôsobom vstreknete prúd a zatvoríte vstupné a výstupné vodiče, prúd v cievke bude prúdiť donekonečna. V súlade so známym zákonom bude energia uzavretá v cievke

W = l× ja²/2

kde L- indukčnosť cievky. Hypoteticky si možno predstaviť, že v určitom časovom okamihu je v energetickom systéme prebytočná energia, energia sa z nej dostáva do takéhoto úložného zariadenia. Tu sa uchováva tak dlho, ako je potrebné, kým nie je potrebná energia. Potom sa postupne, kontrolovateľne prečerpáva späť do energetického systému.

Vo fyzike a technológii supravodivosti existujú aj nízkoprúdové analógy rádiových prvkov konvenčnej elektroniky. Napríklad v systémoch „supravodič - tenká vrstva odporového kovu (alebo dielektrika) - supravodič“ je možné množstvo nových fyzikálnych efektov, ktoré sa už používajú v elektronike. Toto je kvantizácia magnetického toku v kruhu obsahujúcom taký prvok, možnosť náhlej zmeny prúdu v závislosti od napätia, keď je na systém aplikované slabé žiarenie, a štandardné zdroje napätia postavené na tomto princípe s presnosťou 10^-10 B. Okrem toho existujú úložné prvky, analógovo-digitálne prevodníky atď. Existuje dokonca niekoľko návrhov počítačov supravodiča.

Naliehavosť problému mikrominiaturizácie pomocou polovodičov spočíva v tom, že aj malé uvoľnenie energie vo veľmi malom objeme môže viesť k výraznému prehriatiu a problém rozptylu tepla je akútny.

Tento problém je obzvlášť dôležitý pre superpočítače. Ukazuje sa, že lokálne tepelné toky mikročipov môžu dosiahnuť kilowatty na štvorcový centimeter. Teplo nie je možné odvádzať obvyklým spôsobom fúkaním vzduchu. Navrhli odstrániť prípad mikroobvodov a priamo vyfukovať mikrokryštál. Tu vznikol problém zlého prenosu tepla do vzduchu. Ďalším krokom bolo naplnenie všetkého tekutinou a odstránenie tepla varením kvapaliny na tieto prvky. Kvapalina by mala byť veľmi čistá, neobsahovať mikročastice, nevymývať žiaden z mnohých prvkov počítača. Doteraz tieto problémy neboli úplne vyriešené. Výskum sa uskutočňuje s organofluórinovými tekutinami.

V supravodivých počítačoch takéto problémy neexistujú, pretože žiadna strata. Chladenie zariadenia na kryogénne teploty si však vyžaduje veľa nákladov. Navyše, čím bližšie k absolútnej nule - tým väčšie náklady. Okrem toho závislosť je nelineárna, je dokonca silnejšia ako nepriamo úmerná závislosť.

Teplotná stupnica v kryogénnej oblasti sa obvykle delí na niekoľko oblastí podľa teplôt varu skvapalnených plynov: hélium (do 4,2 K), vodík 20,5 K, dusík 77 K, kyslík 90 K, amoniak (-33) °C). Keby bolo možné nájsť materiál s bodom varu blízko alebo nad vodíkom, náklady na udržiavanie kábla v pracovnom stave by boli desaťkrát nižšie ako pri teplotách hélia. Po prechode na teploty dusíka by došlo k zisku o niekoľko rádov. Preto supravodivé materiály pracujúce pri teplotách hélia, hoci boli objavené pred viac ako 80 rokmi, stále nenašli uplatnenie v energetickom sektore.

Je potrebné poznamenať, že ďalšie pokusy o vývoj operačného kryogénneho zariadenia sa uskutočňujú po každom prielomu v technológii. Pokrok v technológii viedol k zliatinám, ktoré majú najlepšie kritické indukčné a teplotné charakteristiky.

Začiatkom 70. rokov teda došlo k rozmachu v štúdii niobu stannidu nb₃Sn. Má B._s = 22 T a T_s= 18 K. Avšak v týchto supravodičoch je na rozdiel od kovov účinok supravodivosti komplikovanejší. Ukazuje sa, že majú dve hodnoty kritického napätia B_c0 a B_c1.  

V medzere medzi nimi materiál nemá odpor voči jednosmernému prúdu, ale má konečný odpor voči striedavému prúdu. A aj keď v_c0 dostatočne veľké, ale hodnoty druhej kritickej indukcie B_c1 sa nelíši od zodpovedajúcich hodnôt pre kovy. „Jednoduché“ supravodiče sa nazývajú supravodiče prvého druhu a „zložité“ - supravodiče druhého druhu.

Nové intermetalické zlúčeniny nemajú ťažnosť kovov, preto bola súčasne vyriešená otázka, ako vyrobiť rozšírené prvky, ako sú drôty z krehkých materiálov.Bolo vyvinutých niekoľko možností vrátane vytvorenia kompozitov, ako je vrstvový koláč s plastovými kovmi, ako je meď, nanášanie intermetálov na medený substrát atď., Čo bolo užitočné pri vývoji supravodivej keramiky.

Supravodivá keramika

Ďalším radikálnym krokom v štúdii supravodivosti bol pokus o nájdenie supravodivosti v oxidových systémoch. Neurčitá myšlienka vývojárov bola, že v systémoch obsahujúcich látky s premenlivou valenčnou supravodivosťou je možná a pri vyšších teplotách. Binárne systémy, t.j. pozostáva z dvoch rôznych oxidov. Nebolo možné nájsť supravodivosť. A iba v trojitých systémoch Bao-La₂O₃-CuO v roku 1986 bola zistená supravodivosť pri teplote 30 - 35 K. Za túto prácu získali Bednorts a Muller Nobelovu cenu v nasledujúcich rokoch (!!) 1987

Intenzívne štúdie príbuzných zlúčenín počas roka viedli k zisteniu supravodivosti v systéme Bao-Y₂O₃-CuO pri teplote 90 K. V skutočnosti je supravodivosť získaná v ešte komplexnejšom systéme, ktorého vzorec môže byť reprezentovaný ako YBA₂Cu₃O_7-d, hodnota d pre supravodivý materiál s najvyššou teplotou je 0,2. To znamená nielen určité percento východiskových oxidov, ale tiež znížený obsah kyslíka.

Naozaj, ak počítate pomocou valencie, potom ytrium - 3, bárium - dva, meď 1 alebo 2. Potom majú kovy celkovú valenciu 10 alebo 13 a kyslík má o niečo menej ako 14. Preto v tejto keramike existuje prebytok kyslíka v porovnaní so stechiometricky. pomer.

Keramika sa vyrába konvenčnou keramickou technológiou. Ako vyrobiť drôty z krehkej látky? Jedným zo spôsobov sa suspenzia prášku pripraví vo vhodnom rozpúšťadle, potom sa roztok pretlačí cez matricu, vysuší sa a navinie na bubon. Konečné odstránenie väzu sa uskutoční spálením, drôt je pripravený. Vlastnosti takýchto vlákien: kritické teploty 90 - 82 K, pri 100 K r= 12 mOhm.cm (približne ako grafit), kritická prúdová hustota 4000 A / m².

Prejdime na poslednú číslicu. Táto hodnota je extrémne nízka na použitie v energetickom sektore. V porovnaní s ekonomickou hustotou prúdu (~1 A / mm²), je zrejmé, že v keramike je súčasná hustota 250 krát nižšia. Vedci tento problém preskúmali a dospeli k záveru, že na vine sú kontakty, ktoré nie sú supravodivé. Monokryštály skutočne získali súčasné hustoty, ktoré dosahujú ekonomickú hustotu prúdu. A za posledné dva alebo tri roky sa získali keramické drôty, ktorých hustota prúdu presahuje ekonomickú hustotu prúdu.

V roku 1999 bol v Japonsku uvedený do prevádzky supravodivý kábel spájajúci dve stanice metra. Kábel je vyrobený pomocou technológie „sendvič“, t.j. krehká keramika v nej je umiestnená medzi dvoma vrstvami elastickej a tvárnej medi. Izolácia a súčasne chladivo je kvapalný dusík.

Čo si myslíte, že je jedným z hlavných problémov s týmto káblom? Môžete hádať, že tieto otázky sa už predtým diskutovali o izolácii. Ukazuje sa, že dielektrická strata v takom nádhernom dielektriku, ako je tekutý dusík, ju zahreje, čo si vyžaduje neustále chladenie.

Ale janevzdávajte sa a podľa tlačových agentúr v Japonsku má TEPCO v úmysle vytvoriť prvé supravodivé siete na dodávku elektriny do obytných budov. V prvej fáze bude v Jokohame položených približne 300 kilometrov takýchto káblov, ktoré pokryjú asi pol milióna budov!