V blízké budoucnosti budou všechny napájecí kabely vyrobeny ze supravodivých materiálů

Princip supravodivosti. Efekt magnetického pole

Tok proudu ve vodičích je vždy spojen se ztrátami energie, tj. s přechodem energie z elektrické na tepelnou. Tento přechod je nevratný, zpětný přechod je spojen pouze s dokončením práce, protože termodynamika o tom mluví. Existuje však možnost přeměny tepelné energie na elektrickou energii a využití tzv termoelektrický efekt, když se použijí dva kontakty dvou vodičů, z nichž jeden je zahříván a druhý ochlazován.

Ve skutečnosti a tato skutečnost je překvapivá, existuje řada vodičů, ve kterých za určitých podmínek nedochází k žádné ztrátě energie během proudu proudu! V klasické fyzice je tento účinek nevysvětlitelný.

Podle klasické elektronické teorie se pohyb nosiče náboje vyskytuje v elektrickém poli rovnoměrně zrychleném, až se srazí se strukturální vadou nebo s mřížkovými vibracemi. Po srážce, je-li neelastická, jako při srážce dvou plastelínových koulí, elektron ztratí energii a přenese ji na mříž kovových atomů. V tomto případě v zásadě nemůže existovat žádná supravodivost.

Ukazuje se, že supravodivost se objevuje pouze při zohlednění kvantových efektů. Je těžké si to představit. Některé slabé představy o supravodivém mechanismu lze získat z následujících úvah.

Ukázalo se, že elektron může polarizovat atom mřížky nejblíže k němu, tj. přitáhněte jej mírně k sobě kvůli působení Coulombovy síly, pak tento mřížový atom mírně posune další elektron. Je vytvořena vazba páru elektronů.

Když se elektron pohybuje, druhá složka páru vnímá energii, kterou elektron přenáší na atom mříže. Ukazuje se, že pokud vezmeme v úvahu energii dvojice elektronů, pak se během kolize nezmění, tzn. nedochází ke ztrátě elektronové energie! Takové páry elektronů se nazývají Cooperovy páry.

Obecně je obtížné porozumět osobě se zavedenými fyzickými myšlenkami. Je pro vás snazší porozumět, alespoň to můžete považovat za samozřejmost.

Supravodivoststejně nadbytečnostbyly nalezeny v experimentech při velmi nízkých teplotách, téměř absolutních nulových teplotách. Když se přiblížíte k absolutní nule, mřížkové vibrace zamrznou. Odpor vůči proudu proudu klesá i podle klasické teorie, ale na nulu při určité kritické teplotě T_s, klesá pouze podle kvantových zákonů.

Supravodivost byla objevena dvěma jevy: zaprvé na skutečnosti, že zmizel elektrický odpor, a zadruhé na diamagnetismu. První jev je jasný - pokud předáte určitý proud Já vodičem, pak poklesem napětí U na vodiči můžete určit odpor R = U / I. Zmizení napětí znamená zmizení odporu jako takového.

Druhý jev vyžaduje podrobnější posouzení. Logicky je nedostatek odporu totožný s absolutní diamagnetickou povahou materiálu. Opravdu si představte malou zkušenost. Do oblasti magnetického pole zavedeme supravodivý materiál. Podle Joule-Lenzova zákona musí ve vodiči nastat proud, který zcela kompenzuje změnu magnetického toku, tj. magnetický tok přes supravodič byl nulový a zůstal nulový. U běžného vodiče se tento proud rozkládá, protože vodič má odpor. Teprve potom pronikne do vodiče magnetické pole. V supravodiči to nezmizí.To znamená, že protékající proud vede k úplné kompenzaci magnetického pole uvnitř sebe, tj. pole do něj nepronikne. Z formálního hlediska znamená nulové pole, že magnetická propustnost materiálu je nulová, m = 0 tj. tělo se projevuje jako absolutní diamagnet.

Tyto jevy jsou však charakteristické pouze pro slabá magnetická pole. Ukazuje se, že silné magnetické pole může proniknout do materiálu, navíc ničí samotnou supravodivost! Představte koncept kritického pole B_skterý ničí supravodič. Závisí na teplotě: maximum při teplotě blízké nule, zmizí při přechodu na kritickou teplotu T_s. Proč je pro nás důležité znát napětí (nebo indukci), při kterém supravodivost mizí? Skutečnost je taková, že když proud protéká supravodičem, kolem vodiče se fyzicky vytvoří magnetické pole, které by mělo působit na vodič.

Například pro válcový vodič o poloměru r umístěný v médiu s magnetickou permeabilitou m, magnetická indukce na povrchu bude v souladu se zákonem Bio-Savard-Laplace

B = m₀× m ×I / 2strr (1)

Čím větší je proud, tím větší pole. Tak, s nějakou indukcí (nebo napětím), supravodivost mizí, a proto, jediný proud méně než ten, který vytvoří kritickou indukci, moci být procházen dirigentem.

Pro supravodivý materiál máme tedy dva parametry: indukci kritického magnetického pole B_s a kritická teplota T_s.  

U kovů jsou kritické teploty téměř nulové teploty. To je oblast tzv. „Hélium“ teploty, srovnatelné s bodem varu helia (4,2 K). Pokud jde o kritickou indukci, můžeme říci, že je relativně malá. Lze jej porovnat s indukcí v transformátorech (1-1,5 T). Nebo například indukcí v blízkosti drátu. Například počítáme indukci ve vzduchu poblíž drátu s poloměrem 1 cm při proudu 100 A.

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

Nahrazením do výrazu (1) získáme B = 2 mT, tj. Hodnotu přibližně odpovídající kritické. To znamená, že pokud je takový vodič vložen do elektrického vedení, například 6 kV, bude maximální výkon, který může být přenášen každou fází, P_m = U_f· Já = 600 kW. Zvažovaný příklad ukazuje, že vnitřní magnetické pole omezuje schopnost přenášet energii kryogenním drátem. Navíc, čím je teplota blíže ke kritické teplotě, tím nižší je kritická indukční hodnota.

Supravodiče s nízkou teplotou

Výše jsem se již zaměřil na některé konkrétní supravodivé materiály. Vlastnost supravodivosti je v zásadě charakteristická pro téměř všechny materiály. Pouze pro elektricky vodivé - měď, stříbro (paradox?) Supravodivost není detekována. Specifické použití supravodivosti v energetickém sektoru je lákavé: mít bezztrátové elektrické vedení by bylo skvělé. Další aplikací je generátor se supravodivými vinutími. V Petrohradě byl vyvinut vzorek takového generátoru a byly provedeny úspěšné testy. Třetí možností je elektromagnet, jehož indukci lze regulovat regulovaným způsobem v závislosti na intenzitě proudu.

Dalším příkladem je supravodivé induktivní úložiště. Představte si obrovskou cívku supravodivého dirigenta. Pokud do něj nějakým způsobem vstříknete proud a zavřete vstupní a výstupní vodiče, proud v cívce bude proudit donekonečna. V souladu se známým zákonem bude energie uzavřena v cívce

W = l× Já²/2

kde L- indukčnost cívky. Hypoteticky si lze představit, že v určitém okamžiku je v energetickém systému nadbytek energie, energie se z ní odebírá do takového paměťového zařízení. Zde se uchovává tak dlouho, jak je to nutné, dokud není potřeba energie. Potom se postupně, řízeně čerpá zpět do energetického systému.

Ve fyzice a technologii supravodivosti existují také nízkoproudé analogy rádiových prvků konvenční elektroniky. Například v systémech „supravodič - tenká vrstva odporového kovu (nebo dielektrika) - supravodič“ je možné mnoho nových fyzikálních efektů, které se již v elektronice používají. Jedná se o kvantizaci magnetického toku v kruhu obsahujícího takový prvek, možnost náhlé změny proudu v závislosti na napětí, když je systém vystaven slabému záření, a standardní zdroje napětí postavené na tomto principu s přesností 10^-10 B. Kromě toho existují paměťové prvky, převodníky analogového na digitální atd. Existuje dokonce několik návrhů supravodičových počítačů.

Naléhavost problému mikrominiaturizace pomocí polovodičů spočívá v tom, že i malé uvolňování energie ve velmi malém objemu může vést k významnému přehřátí a problém s odvodem tepla je akutní.

Tento problém je zvláště důležitý pro superpočítače. Ukazuje se, že lokální tepelné toky mikročipů mohou dosáhnout kilowattů na centimetr čtvereční. Teplo není možné odvádět obvyklým způsobem foukáním vzduchu. Navrhovali odstranit případ mikroobvodů a přímo foukat mikrokrystal. Zde se objevil problém špatného přenosu tepla do vzduchu. Dalším krokem bylo naplnění všeho kapalinou a odstranění tepla zahřátím kapaliny na tyto prvky. Kapalina by měla být velmi čistá, nesmí obsahovat mikročástice, nemyjte žádný z mnoha prvků počítače. Dosud nebyly tyto problémy zcela vyřešeny. Výzkum se provádí s organofluorinovými tekutinami.

V supravodivých počítačích takové problémy neexistují, protože žádná ztráta. Chlazení zařízení na kryogenní teploty však vyžaduje značné náklady. Navíc, čím blíže k absolutní nule - tím vyšší jsou náklady. Kromě toho je závislost nelineární, je dokonce silnější než nepřímo úměrná závislost.

Teplotní stupnice v kryogenní oblasti se obvykle dělí na několik oblastí podle bodů varu zkapalněných plynů: helium (do 4,2 K), vodík 20,5 K, dusík 77 K, kyslík 90 K, amoniak (-33) °C) Pokud by bylo možné najít materiál s bodem varu blízko nebo nad vodíkem, náklady na udržování kabelu v provozním stavu by byly desetkrát nižší než pro teploty helia. Při přechodu na teploty dusíku by došlo k nárůstu o několik řádů. Proto supravodivé materiály pracující při teplotách hélia, ačkoli byly objeveny před více než 80 lety, dosud nenašly uplatnění v energetickém sektoru.

Je třeba poznamenat, že následující pokusy o vývoj provozního kryogenického zařízení jsou provedeny po každém průlomu v technologii. Pokroky v technologii vedly ke slitinám, které mají nejlepší kritické indukční a teplotní charakteristiky.

Začátkem 70. let tedy došlo k rozmachu ve studii stannidového niobu Nb₃Sn. Má B_s = 22 T a T_s= 18 K. Avšak v těchto supravodičích je na rozdíl od kovů účinek supravodivosti komplikovanější. Ukazuje se, že mají dvě hodnoty kritického napětí B_c0 a B_s1.  

V mezeře mezi nimi materiál nemá odpor vůči stejnosměrnému proudu, ale má konečný odpor vůči střídavému proudu. A i když v_c0 dostatečně velké, ale hodnoty druhé kritické indukce B_s1 liší se od odpovídajících hodnot pro kovy jen nepatrně. „Jednoduché“ supravodiče se nazývají supravodiče prvního druhu a „komplexní“ - supravodiče druhého druhu.

Nové intermetalické sloučeniny nemají tažnost kovů, proto byla současně vyřešena otázka, jak vyrobit rozšířené prvky, jako jsou dráty z křehkých materiálů.Bylo vyvinuto několik možností, včetně vytváření kompozitů, jako je vrstvový koláč s plastovými kovy, jako je měď, nanášení intermetalů na měděný substrát atd., Což bylo užitečné při vývoji supravodivé keramiky.

Supravodivá keramika

Dalším radikálním krokem ve studiu supravodivosti byl pokus o nalezení supravodivosti v oxidových systémech. Nejasná myšlenka vývojářů byla, že v systémech obsahujících látky s proměnlivou valencí je možná supravodivost a při vyšších teplotách. Binární systémy, tj. sestávající ze dvou různých oxidů. Nebylo možné najít supravodivost. A pouze v trojitých systémech Bao-la₂O₃-CuO v roce 1986 byla detekována supravodivost při teplotě 30 až 35 K. Za tuto práci obdrželi Bednorts a Muller Nobelovu cenu v následujícím (!!) 1987

Intenzivní studie příbuzných sloučenin v průběhu roku vedly k objevu supravodivosti v systému Bao-y₂O₃-CuO při teplotě 90 K. Ve skutečnosti je supravodivost získávána v ještě složitějším systému, jehož vzorec může být reprezentován jako Yba₂Cu₃O_7-d. Hodnota d pro supravodivý materiál s nejvyšší teplotou je 0,2. To znamená nejen určité procento výchozích oxidů, ale také snížený obsah kyslíku.

Opravdu, pokud počítáte valencí, pak yttrium - 3, baryum - dva, měď 1 nebo 2. Pak mají kovy celkovou valenci 10 nebo 13 a kyslík má o něco méně než 14. Proto je v této keramice nadbytek kyslíku vzhledem ke stechiometrickým korelace.

Keramika se vyrábí konvenční keramickou technologií. Jak vyrobit dráty z křehké látky? Jedním způsobem se suspenze prášku připraví ve vhodném rozpouštědle, potom se roztok protlačí přes matrici, vysuší se a navine na buben. Konečné odstranění vazu se provádí spálením, drát je připraven. Vlastnosti takových vláken: kritické teploty 90-82 K, při 100 K r= 12 mOhm · cm (přibližně jako grafit), kritická proudová hustota 4000 A / m².

Přebývejme na poslední číslici. Tato hodnota je extrémně nízká pro použití v energetickém sektoru. Porovnání s ekonomickou hustotou proudu (~1 A / mm²), je vidět, že v keramice je aktuální hustota 250krát nižší. Vědci tento problém prošetřili a dospěli k závěru, že za vinu jsou kontakty, které nejsou supravodivé. Monokrystaly skutečně získaly současné hustoty, které dosahují ekonomické hustoty proudu. A v posledních dvou nebo třech letech byly získány keramické dráty, jejichž proudová hustota převyšuje ekonomickou proudovou hustotu.

V roce 1999 byl v Japonsku uveden do provozu supravodivý kabel propojující dvě stanice metra. Kabel je vyroben pomocí technologie „sendviče“, tj. křehká keramika v ní je umístěna mezi dvěma vrstvami elastické a tvárné mědi. Izolace a současně chladivo je kapalný dusík.

Co považujete za jeden z hlavních problémů s tímto kabelem? Můžete hádat, že tyto otázky byly dříve diskutovány v souvislosti s izolací. Ukazuje se, že dielektrická ztráta v tak úžasném dielektriku, jako je tekutý dusík, ji zahřeje, což vyžaduje stálou péči o další chlazení.

Ale jánevzdávejte se a podle tiskových agentur v Japonsku má TEPCO v úmyslu vytvořit první supravodivé sítě pro dodávku elektřiny do obytných budov. V první fázi bude v Jokohamě položeno přibližně 300 kilometrů takových kabelů, které pokryjí asi půl milionu budov!