Dans un avenir proche, tous les câbles d'alimentation seront en matériaux supraconducteurs

Le principe de la supraconductivité. Effet de champ magnétique

Le flux de courant dans les conducteurs est toujours associé à des pertes d'énergie, c'est-à-dire avec la transition de l'énergie électrique à thermique. Cette transition est irréversible, la transition inverse n'est associée qu'à l'achèvement des travaux, comme en parle la thermodynamique. Il y a cependant la possibilité de convertir l'énergie thermique en énergie électrique et d'utiliser ce que l'on appelle effet thermoélectrique, lorsque deux contacts de deux conducteurs sont utilisés, dont l'un est chauffé et l'autre est refroidi.

En fait, et ce fait est surprenant, il existe un certain nombre de conducteurs dans lesquels, sous certaines conditions, il n'y a pas de perte d'énergie lors de la circulation du courant! En physique classique, cet effet est inexplicable.

Selon la théorie électronique classique, le mouvement d'un porteur de charge se produit dans un champ électrique uniformément accéléré jusqu'à ce qu'il entre en collision avec un défaut structurel ou avec une vibration du réseau. Après une collision, s'il est inélastique, comme une collision de deux billes de pâte à modeler, un électron perd de l'énergie, la transférant à un réseau d'atomes métalliques. Dans ce cas, en principe, il ne peut y avoir de supraconductivité.

Il s'avère que la supraconductivité n'apparaît que lorsque les effets quantiques sont pris en compte. C'est difficile à imaginer. Une faible idée du mécanisme de supraconductivité peut être obtenue à partir des considérations suivantes.

Il s'avère, étant donné que l'électron peut polariser l'atome du réseau le plus proche, c'est-à-dire tirez-le légèrement vers vous en raison de l'action de la force de Coulomb, puis cet atome de réseau déplacera légèrement le prochain électron. Une liaison d'une paire d'électrons est formée, pour ainsi dire.

Lorsque l'électron se déplace, le deuxième composant de la paire, pour ainsi dire, perçoit l'énergie que l'électron transfère à l'atome du réseau. Il s'avère que si nous prenons en compte l'énergie d'une paire d'électrons, elle ne change pas lors d'une collision, c'est-à-dire la perte d'énergie électronique ne se produit pas! Ces paires d'électrons sont appelées paires de Cooper.

En général, il est difficile à comprendre pour une personne ayant des idées physiques établies. C'est plus facile à comprendre pour vous, au moins vous pouvez le prendre pour acquis.

Supraconductivitéaussi superfluiditéont été trouvés dans des expériences à des températures ultra basses, près de températures nulles absolues. À l'approche du zéro absolu, les vibrations du réseau se figent. La résistance au flux de courant diminue même selon la théorie classique, mais à zéro à une certaine température critique T_avec, il ne diminue que selon les lois quantiques.

La supraconductivité a été découverte par deux phénomènes: d'une part, sur le fait de la disparition de la résistance électrique, et d'autre part, sur le diamagnétisme. Le premier phénomène est clair - si vous passez un certain courant Je à travers le conducteur, puis par la chute de tension U sur le conducteur, vous pouvez déterminer la résistance R = U / I. La disparition de la tension signifie la disparition de la résistance en tant que telle.

Le deuxième phénomène nécessite un examen plus approfondi. Logiquement, le manque de résistance est identique à la nature diamagnétique absolue du matériau. En effet, imaginez une petite expérience. Nous introduirons un matériau supraconducteur dans la région du champ magnétique. Selon la loi Joule-Lenz, un courant doit se produire dans le conducteur qui compense complètement le changement de flux magnétique, c'est-à-dire le flux magnétique à travers le supraconducteur était à la fois nul et reste nul. Dans un conducteur conventionnel, ce courant diminue, car le conducteur a une résistance. Ce n'est qu'alors qu'un champ magnétique pénètre dans le conducteur. Dans un supraconducteur, il ne s'estompe pas.Cela signifie que le courant circulant conduit à une compensation complète du champ magnétique à l'intérieur de lui-même, c'est-à-dire le champ n'y pénètre pas. D'un point de vue formel, un champ nul signifie que la perméabilité magnétique du matériau est nulle, m = 0 c'est-à-dire le corps se manifeste comme un diamagnet absolu.

Cependant, ces phénomènes ne sont caractéristiques que pour des champs magnétiques faibles. Il s'avère qu'un fort champ magnétique peut pénétrer dans le matériau, de plus, il détruit la supraconductivité elle-même! Introduire le concept de champ critique B_avecqui détruit un supraconducteur. Elle dépend de la température: maximum à une température proche de zéro, disparaît lors du passage à une température critique T_avec. Pourquoi est-il important pour nous de connaître la tension (ou l'induction) à laquelle la supraconductivité disparaît? Le fait est que lorsqu'un courant traverse un supraconducteur, un champ magnétique se crée physiquement autour du conducteur, qui devrait agir sur le conducteur.

Par exemple, pour un conducteur cylindrique de rayon r placé dans un milieu à perméabilité magnétique m, l'induction magnétique en surface conformément à la loi de Bio-Savard-Laplace sera

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Plus le courant est grand, plus le champ est grand. Ainsi, avec une certaine induction (ou tension), la supraconductivité disparaît et, par conséquent, seul un courant inférieur à celui qui crée une induction critique peut traverser le conducteur.

Ainsi, pour un matériau supraconducteur, nous avons deux paramètres: l'induction du champ magnétique critique B_avec et température critique T_avec.  

Pour les métaux, les températures critiques sont proches des températures nulles absolues. C'est le domaine de ce qu'on appelle Températures «hélium» comparables au point d'ébullition de l'hélium (4,2 K). Concernant l'induction critique, on peut dire qu'elle est relativement faible. Elle peut être comparée à l'induction dans les transformateurs (1-1,5 T). Ou par exemple avec induction près du fil. Par exemple, nous calculons l'induction dans l'air à proximité d'un fil d'un rayon de 1 cm avec un courant de 100 A.

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

En remplaçant l'expression (1), nous obtenons B = 2 mT, c'est-à-dire une valeur correspondant approximativement à critique. Cela signifie que si un tel conducteur est placé dans une ligne électrique, par exemple 6 kV, alors la puissance maximale qui peut être transmise à travers chaque phase sera P_m = U_f· Je = 600 kW. L'exemple considéré montre que le champ magnétique intrinsèque limite la capacité de transfert de puissance à travers un fil cryogénique. De plus, plus la température est proche de la température critique, plus la valeur d'induction critique est faible.

Supraconducteurs à basse température

Ci-dessus, je me suis déjà concentré sur certains matériaux supraconducteurs spécifiques. En principe, la propriété de la supraconductivité est caractéristique de presque tous les matériaux. Seulement pour les plus conducteurs d'électricité - cuivre, argent (paradoxe?) La supraconductivité n'est pas détectée. L'application spécifique de la supraconductivité dans le secteur de l'énergie est tentante: avoir des lignes électriques sans perte serait merveilleux. Une autre application est un générateur à enroulements supraconducteurs. Un échantillon d'un tel générateur a été développé à Saint-Pétersbourg et des tests réussis ont été menés. La troisième option est un électroaimant, dont l'induction peut être contrôlée de manière contrôlée en fonction de l'intensité du courant.

Un autre exemple est un stockage inductif supraconducteur. Imaginez une énorme bobine de conducteur supraconducteur. Si vous y injectez du courant d'une manière ou d'une autre et fermez les fils d'entrée et de sortie, le courant dans la bobine circulera indéfiniment. Conformément à une loi bien connue, l'énergie sera enfermée dans une bobine

W = l× Je²/2

où L- inductance de bobine. Hypothétiquement, on peut imaginer qu'à un moment donné, il y a un excès d'énergie dans le système énergétique, l'énergie en est prélevée dans un tel dispositif de stockage. Ici, il est stocké aussi longtemps que nécessaire jusqu'au besoin d'énergie. Il est ensuite progressivement pompé de manière contrôlable dans le système d'alimentation.

En physique et en technologie de supraconductivité, il existe également des analogues à faible courant des éléments radioélectriques de l'électronique conventionnelle. Par exemple, dans les systèmes "supraconducteurs - une mince couche de métal résistif (ou diélectrique) - supraconducteur", un certain nombre de nouveaux effets physiques sont possibles qui sont déjà utilisés en électronique. Il s'agit de la quantification du flux magnétique dans un anneau contenant un tel élément, de la possibilité d'un changement brusque de courant en fonction de la tension lorsqu'un faible rayonnement est appliqué au système et des sources de tension standard construites sur ce principe avec une précision de 10^-10 B. En outre, il existe des éléments de stockage, des convertisseurs analogique-numérique, etc. Il existe même quelques modèles d'ordinateurs supraconducteurs.

L'urgence du problème de la microminiaturisation à l'aide de semi-conducteurs est que même une petite libération d'énergie dans un très petit volume peut entraîner une surchauffe importante et le problème de la dissipation thermique est aigu.

Ce problème est particulièrement pertinent pour les superordinateurs. Il s'avère que les micropuces les flux de chaleur locaux peuvent atteindre des kilowatts par centimètre carré. Il n'est pas possible d'évacuer la chaleur de la manière habituelle, en soufflant de l'air. Ils ont suggéré de retirer le boîtier des microcircuits et de souffler directement le microcristal. Ici, le problème d'un mauvais transfert de chaleur vers l'air s'est posé. L'étape suivante consistait à tout remplir de liquide et à éliminer la chaleur en faisant bouillir le liquide sur ces éléments. Le liquide doit être très propre, ne pas contenir de microparticules, ne pas laver les nombreux éléments de l'ordinateur. Jusqu'à présent, ces problèmes n'ont pas été entièrement résolus. La recherche est menée avec des fluides organofluorés.

Dans les ordinateurs supraconducteurs, il n'y a pas de tels problèmes, car aucune perte. Cependant, le refroidissement de l'équipement à des températures cryogéniques nécessite beaucoup de coûts. De plus, plus le zéro absolu est proche - plus le coût est élevé. De plus, la dépendance est non linéaire, elle est encore plus forte que la dépendance inversement proportionnelle.

L'échelle de température dans la région cryogénique est classiquement divisée en plusieurs zones selon les points d'ébullition des gaz liquéfiés: hélium (inférieur à 4,2 K), hydrogène 20,5 K, azote 77 K, oxygène 90 K, ammoniac (-33 °C) Si nous pouvions trouver un matériau avec un point d'ébullition proche ou supérieur à l'hydrogène, le coût de maintien du câble en état de marche serait dix fois moins élevé que pour les températures de l'hélium. Lors de la transition vers les températures de l'azote, il y aurait un gain de plusieurs ordres de grandeur. Par conséquent, les matériaux supraconducteurs fonctionnant à des températures d'hélium, bien qu'ils aient été découverts il y a plus de 80 ans, n'ont toujours pas trouvé d'application dans le secteur de l'énergie.

On peut noter que des tentatives ultérieures pour développer un dispositif cryogénique opérationnel sont faites après chacune des percées technologiques. Les progrès technologiques ont conduit à des alliages qui présentent les meilleures caractéristiques critiques d'induction et de température.

Donc, au début des années 70, il y a eu un boom dans l'étude du niobium stannide Nb₃Sn. Il a B_avec = 22 T, et T_avec= 18 K. Cependant, dans ces supraconducteurs, contrairement aux métaux, l'effet de la supraconductivité est plus compliqué. Il s'avère qu'ils ont deux valeurs de la tension critique B_c0 et B_s1.  

Dans l'espace entre eux, le matériau n'a pas de résistance au courant continu, mais a une résistance finie au courant alternatif. Et bien que_c0 assez grand, mais les valeurs de la deuxième induction critique B_s1 diffère peu des valeurs correspondantes pour les métaux. Les supraconducteurs "simples" sont appelés supraconducteurs du premier type et "complexes" - les supraconducteurs du deuxième type.

Les nouveaux composés intermétalliques n'ont pas la ductilité des métaux, de sorte que la question a été résolue simultanément comment fabriquer des éléments étendus tels que des fils à partir de matériaux cassants.Plusieurs options ont été développées, notamment la création de composites tels qu'un gâteau de couche avec des métaux plastiques, tels que le cuivre, le dépôt d'intermétaux sur un substrat en cuivre, etc., qui ont été utiles dans le développement de céramiques supraconductrices.

Céramique supraconductrice

La prochaine étape radicale dans l'étude de la supraconductivité a été une tentative de trouver la supraconductivité dans les systèmes d'oxyde. L'idée vague des développeurs était que dans des systèmes contenant des substances à supraconductivité à valence variable, c'est possible, et à des températures plus élevées. Systèmes binaires, c'est-à-dire composé de deux oxydes différents. Il n'a pas été possible de trouver de supraconductivité. Et seulement dans les systèmes triples Bao-la₂O₃-CuO en 1986, la supraconductivité a été détectée à une température de 30 à 35 K. Pour ce travail, Bednorts et Muller ont reçu le prix Nobel dans ce qui suit, (!!) 1987

Des études intensives de composés apparentés au cours de l'année ont conduit à la découverte de la supraconductivité dans le système Bao-y₂O₃-CuO à une température de 90 K. En fait, la supraconductivité est obtenue dans un système encore plus complexe, dont la formule peut être représentée comme Yba₂Cu₃O_7-d. Valeur d pour le matériau supraconducteur à la température la plus élevée est de 0,2. Cela signifie non seulement un certain pourcentage des oxydes de départ, mais également une teneur réduite en oxygène.

En effet, si vous calculez par valence, alors l'yttrium - 3, le baryum - deux, le cuivre 1 ou 2. Alors les métaux ont une valence totale de 10 ou 13, et l'oxygène en a un peu moins de 14. Par conséquent, dans cette céramique il y a un excès d'oxygène par rapport à la stœchiométrique corrélation.

La céramique est produite en utilisant la technologie céramique traditionnelle. Comment fabriquer des fils à partir d'une substance fragile? D'une manière, une suspension de la poudre est faite dans un solvant approprié, puis la solution est forcée à travers une filière, séchée et enroulée sur un tambour. L'ablation définitive du ligament s'effectue par brûlure, le fil est prêt. Propriétés de telles fibres: températures critiques 90-82 K, à 100 K r= 12 mOhm · cm (environ comme du graphite), densité de courant critique 4000 A / m².

Arrêtons-nous sur le dernier chiffre. Cette valeur est extrêmement faible pour une utilisation dans le secteur de l'énergie. Par rapport à la densité de courant économique (~1 A / mm²), on voit que dans la céramique la densité de courant est 250 fois plus faible. Les scientifiques ont enquêté sur ce problème et sont arrivés à la conclusion que des contacts non supraconducteurs sont à blâmer. En effet, les monocristaux ont obtenu des densités de courant qui atteignent la densité de courant économique. Et au cours des deux ou trois dernières années, des fils céramiques ont été obtenus dont la densité de courant dépasse la densité de courant économique.

En 1999, un câble supraconducteur reliant deux stations de métro a été mis en service au Japon. Le câble est fabriqué en utilisant la technologie du "sandwich", c'est-à-dire la céramique fragile y est située entre deux couches de cuivre élastique et ductile. L'isolation et, en même temps, le réfrigérant sont de l'azote liquide.

Selon vous, quel est l'un des principaux problèmes de ce câble? Vous pouvez deviner que ces problèmes ont déjà été discutés en relation avec l'isolement. Il s'avère que la perte diélectrique dans un diélectrique aussi merveilleux que l'azote liquide le réchauffe, ce qui nécessite un soin constant pour un refroidissement supplémentaire.

Mais jen'abandonnez pas, et selon les agences de presse au Japon, TEPCO a l'intention de créer les premiers réseaux supraconducteurs pour fournir de l'électricité aux bâtiments résidentiels. Dans un premier temps, environ 300 kilomètres de tels câbles seront posés à Yokohama, qui couvriront environ un demi-million de bâtiments!