Tuvākajā laikā visi strāvas kabeļi tiks izgatavoti no supravadošiem materiāliem

Supravadītspējas princips. Magnētiskā lauka efekts

Strāvas plūsma vadītājos vienmēr ir saistīta ar enerģijas zudumiem, t.i. ar enerģijas pāreju no elektriskās uz termisko. Šī pāreja ir neatgriezeniska, apgrieztā pāreja ir saistīta tikai ar darba pabeigšanu, jo par to runā termodinamika. Tomēr pastāv iespēja siltumenerģiju pārveidot elektriskajā enerģijā un izmantot tā saukto termoelektrisks efekts, kad tiek izmantoti divu vadītāju divi kontakti, no kuriem viens tiek uzkarsēts, bet otrs - atdzesēts.

Faktiski, un tas ir pārsteidzoši, ir virkne vadītāju, kuros noteiktos apstākļos strāvas plūsmas laikā nav enerģijas zudumu! Klasiskajā fizikā šis efekts nav izskaidrojams.

Saskaņā ar klasisko elektronisko teoriju, lādiņa nesēja kustība notiek vienmērīgi paātrinātā elektriskajā laukā, līdz tā saduras ar konstrukcijas defektu vai ar režģa vibrāciju. Pēc sadursmes, ja tā ir neelastīga, piemēram, divu plastilīna bumbiņu sadursme, elektrons zaudē enerģiju, pārnesot to uz metāla atomu režģi. Šajā gadījumā supravadītspēja principā nevar būt.

Izrādās, ka supravadītspēja parādās tikai tad, ja tiek ņemti vērā kvantu efekti. To ir grūti iedomāties. Dažu vāju supravadītspējas mehānisma ideju var iegūt, ņemot vērā šādus apsvērumus.

Izrādās, ņemot vērā, ka elektrons var polarizēt tai vistuvākās režģa atomu, t.i. Kulona spēka iedarbības dēļ velciet to nedaudz pret jums, tad šis režģa atoms nedaudz pārbīdīs nākamo elektronu. Elektronu pāra saite veidojas tā, kā tas bija.

Kad elektrons pārvietojas, pāra otrā sastāvdaļa it kā uztver enerģiju, ko elektrons nodod režģa atomam. Izrādās, ka, ja ņemam vērā elektronu pāra enerģiju, tad sadursmes laikā tas nemainās, t.i. elektronu enerģijas zudumi nenotiek! Šādus elektronu pārus sauc par Kūpera pāriem.

Kopumā cilvēkam ar iedibinātām fiziskām idejām to ir grūti saprast. Jums ir vieglāk saprast, vismaz varat to uztvert kā pašsaprotamu.

Supravadītspējakā arī superfluiditytika atrasti eksperimentos ar ļoti zemu temperatūru, pie absolūtas nulles temperatūras. Tuvojoties absolūtai nullei, režģa vibrācijas sastingst. Pretestība strāvas plūsmai samazinās pat saskaņā ar klasisko teoriju, bet līdz nullei noteiktā kritiskā temperatūrā T_ar, tas samazinās tikai saskaņā ar kvantu likumiem.

Supravadītspēju atklāja divas parādības: pirmkārt, par elektriskās pretestības izzušanu un, otrkārt, ar diamagnētismu. Pirmā parādība ir skaidra - ja jūs iziet noteiktu strāvu Es caur vadītāju, pēc tam sprieguma kritums U uz diriģenta jūs varat noteikt pretestību R = U / I Spriedzes izzušana nozīmē pretestības kā tādas izzušanu.

Otra parādība prasa sīkāk izskatīt. Loģiski, ka pretestības trūkums ir identisks materiāla absolūtajam diamagnētiskajam raksturam. Patiešām, iedomājieties nelielu pieredzi. Mēs ieviesīsim supravadošu materiālu magnētiskā lauka reģionā. Saskaņā ar Džoula-Lenca likumu vadītājā jānotiek strāvai, kas pilnībā kompensē magnētiskās plūsmas izmaiņas, t.i. magnētiskā plūsma caur supravadītāju bija gan nulle, gan paliek nulle. Parastā vadītājā šī strāva samazinās, jo vadītājam ir pretestība. Tikai tad magnētiskais lauks iekļūst vadā. Supravadītājā tas neizbalē.Tas nozīmē, ka plūstošā strāva noved pie pilnīgas magnētiskā lauka kompensācijas sevī, t.i. lauks tajā neiekļūst. No formālā viedokļa nulles lauks nozīmē, ka materiāla magnētiskā caurlaidība ir nulle, m = 0, t.i. ķermenis izpaužas kā absolūts diamagnets.

Tomēr šīs parādības ir raksturīgas tikai vājiem magnētiskajiem laukiem. Izrādās, ka spēcīgs magnētiskais lauks var iekļūt materiālā, turklāt tas pats iznīcina supravadītspēju! Iepazīstiniet ar kritiskā lauka B jēdzienu_arkas iznīcina supravadītāju. Tas ir atkarīgs no temperatūras: maksimāli, ja temperatūra ir tuvu nullei, pazūd, pārejot uz kritisko temperatūru T_ar. Kāpēc mums ir svarīgi zināt spriedzi (vai indukciju), kurā pazūd supravadītspēja? Fakts ir tāds, ka, kad caur supravadītāju plūst strāva, ap vadītāju fiziski tiek izveidots magnētiskais lauks, kam vajadzētu darboties uz vadītāju.

Piemēram, cilindriskam vadītājam ar rādiusu r, kas ievietots vidē ar magnētisko caurlaidību m, magnētiskā indukcija uz virsmas būs saskaņā ar Bio-Savard-Laplasa likumiem

B = m₀× m ×I / 2lppr (1)

Jo lielāka ir strāva, jo lielāks ir lauks. Tādējādi ar nelielu indukciju (vai spriedzi) supravadītspēja pazūd, un tāpēc caur vadītāju var izvadīt tikai tādu strāvu, kas ir mazāka par to, kas rada kritisko indukciju.

Tādējādi supravadošam materiālam ir divi parametri: kritiskā magnētiskā lauka indukcija B_ar un kritiskā temperatūra T_ar.  

Metāliem kritiskā temperatūra ir tuvu absolūtai nullei. Šī ir tā saucamā joma “Hēlija” temperatūra, pielīdzināma hēlija viršanas temperatūrai (4,2 K). Attiecībā uz kritisko indukciju mēs varam teikt, ka tā ir salīdzinoši maza. To var salīdzināt ar indukciju transformatoros (1-1,5 T). Vai, piemēram, ar indukciju pie stieples. Piemēram, mēs aprēķinām indukciju gaisā pie stieples ar rādiusu 1 cm ar strāvu 100 A.

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

Aizstājot ar izteiksmi (1), mēs iegūstam B = 2 mT, t.i., vērtību, kas aptuveni atbilst kritiskajai. Tas nozīmē, ka, ja šāds vadītājs tiek ievietots elektropārvades līnijā, piemēram, 6 kV, tad maksimālā jauda, ​​ko var pārraidīt caur katru fāzi, būs P_m = U_f· Es = 600 kW. Apskatītais piemērs rāda, ka iekšējais magnētiskais lauks ierobežo spēju pārnest jaudu caur kriogēno vadu. Turklāt, jo tuvāk temperatūrai ir kritiskā temperatūra, jo zemāka ir kritiskā indukcijas vērtība.

Zemas temperatūras supravadītāji

Iepriekš es jau esmu koncentrējies uz dažiem specifiskiem supravadošiem materiāliem. Principā supravadītspējas īpašība ir raksturīga gandrīz visiem materiāliem. Tikai elektrovadītspējīgākajam - vara, sudraba (paradokss?) Supravadītspēja netiek noteikta. Īpašais supravadītspējas pielietojums enerģijas nozarē ir vilinošs: būtu brīnišķīgi izmantot bezvada zudumu elektrolīnijas. Vēl viens pielietojums ir ģenerators ar supravadošiem tinumiem. Sanktpēterburgā tika izstrādāts šāda ģeneratora paraugs, un tika veikti veiksmīgi testi. Trešā iespēja ir elektromagnēts, kura indukciju var kontrolēt kontrolētā veidā atkarībā no strāvas stipruma.

Vēl viens piemērs ir supravadoša induktīvā krātuve. Iedomājieties milzīgu supravadītāja vadītāju spoli. Ja jūs kaut kādā veidā ievadāt strāvu un aizverat ieejas un izejas vadus, tad strāva spolē plūst bezgalīgi. Saskaņā ar vispārzināmu likumu enerģija tiks ievietota spolē

W = l× Es²/2

kur L- spoles induktivitāte. Hipotētiski var iedomāties, ka kādā brīdī enerģijas sistēmā ir enerģijas pārpalikums, enerģija no tā tiek ņemta šādā uzglabāšanas ierīcē. Šeit tas tiek glabāts tik ilgi, cik nepieciešams, līdz rodas vajadzība pēc enerģijas. Tad tas pakāpeniski, kontrolējami tiek iesūknēts atpakaļ energosistēmā.

Fizikā un supravadītspējas tehnoloģijā ir arī parastās elektronikas radioelementu vājstrāvas analogi. Piemēram, sistēmās "supravadītājs - plāns pretestības metāla (vai dielektriskā) slānis - supravadītājs" ir iespējami vairāki jauni fizikāli efekti, kurus jau izmanto elektronikā. Tā ir magnētiskās plūsmas kvantēšana gredzenā, kurā ir šāds elements, pēkšņas strāvas izmaiņas iespēja atkarībā no sprieguma, kad sistēmai tiek piemērots vājš starojums, un standarta sprieguma avoti, kas uzbūvēti uz šī principa ar precizitāti 10^-10 B. Turklāt ir atmiņas elementi, analogo-digitālo pārveidotāji utt. Ir pat daži supravadītāju datoru dizaini.

Izmantojot pusvadītājus, mikrominiaturizācijas problēmas steidzamība ir tāda, ka pat neliela enerģijas izdalīšana ļoti mazā tilpumā var izraisīt ievērojamu pārkaršanu un siltuma izkliedes problēma ir akūta.

Šī problēma ir īpaši aktuāla superdatoriem. Izrādās, ka mikroshēmu vietējās siltuma plūsmas var sasniegt kilovatus uz kvadrātcentimetru. Karstumu nav iespējams noņemt parastajā veidā, izpūšot gaisu. Viņi ieteica noņemt mikroshēmu korpusu un tieši izpūst mikrokristālu. Šeit radās sliktas siltuma pārneses uz gaisu problēma. Nākamais solis bija visu piepildīt ar šķidrumu un noņemt siltumu, vārot šķidrumu uz šiem elementiem. Šķidrumam jābūt ļoti tīram, tajā nedrīkst būt mikrodaļiņas, neizmazgājiet nevienu no daudzajiem datora elementiem. Līdz šim šie jautājumi nav pilnībā atrisināti. Pētījumi tiek veikti ar fluora organiskajiem šķidrumiem.

Supervadošos datoros šādu problēmu nav, jo bez zaudējumiem. Tomēr aprīkojuma atdzesēšana līdz kriogēnai temperatūrai prasa daudz izmaksu. Turklāt, jo tuvāk absolūtajai nullei - jo lielākas būs izmaksas. Turklāt atkarība ir nelineāra, tā ir pat spēcīgāka nekā apgriezti proporcionālā atkarība.

Temperatūras skala kriogēnā reģionā parasti tiek sadalīta vairākās zonās pēc sašķidrinātu gāzu viršanas temperatūras: hēlijs (zem 4,2 K), ūdeņradis 20,5 K, slāpeklis 77 K, skābeklis 90 K, amonjaks (-33) °C) Ja mēs varētu atrast materiālu ar viršanas temperatūru tuvu vai virs ūdeņraža, kabeļa uzturēšanas darba stāvoklī izmaksas būtu desmit reizes zemākas nekā hēlija temperatūrai. Pārejot uz slāpekļa temperatūru, ieguvums varētu sasniegt vairākus lielumus. Tāpēc supravadošie materiāli, kas darbojas hēlija temperatūrā, lai arī tie tika atklāti pirms vairāk nekā 80 gadiem, joprojām nav atrasti pielietojumam enerģētikas nozarē.

Var atzīmēt, ka sekojoši mēģinājumi attīstīt darbojošu kriogēno ierīci tiek veikti pēc katra tehnoloģiju sasnieguma. Tehnoloģiju attīstības rezultātā sakausējumi ir ar vislabākajām kritiskajām indukcijas un temperatūras īpašībām.

Tātad 70. gadu sākumā notika uzplaukums stannīda niobija izpētei Nb₃Sn. Viņam ir B_ar = 22 T un T_ar= 18 K. Tomēr šajos supravadītājos, atšķirībā no metāliem, supravadītspējas ietekme ir sarežģītāka. Izrādās, ka viņiem ir divas kritiskā sprieguma vērtības B_c0 un B_s1.  

Plaisā starp tām materiālam nav pretestības pret līdzstrāvu, bet tam ir ierobežota pretestība pret maiņstrāvu. Un kaut arī In_c0 pietiekami liels, bet otrās kritiskās indukcijas vērtības B_s1 maz atšķiras no attiecīgajām vērtībām metāliem. Par "vienkāršiem" supravadītājiem tiek saukti pirmā veida supravadītāji, bet par "sarežģītajiem" - otrā veida supravadītājiem.

Jaunajiem intermetāla savienojumiem nav metālu elastības, tāpēc vienlaicīgi tika atrisināts jautājums, kā no trausliem materiāliem izgatavot pagarinātus elementus, piemēram, stieples.Ir izstrādātas vairākas iespējas, tostarp tādu kompozītmateriālu izveidošana kā slāņu kūka ar plastmasas metāliem, piemēram, vara, intermetālu nogulsnēšanās uz vara pamatnes utt., Kas bija noderīgi supravadošās keramikas izstrādāšanā.

Supravadoša keramika

Nākamais radikālais solis supravadītspējas izpētē bija mēģinājums atrast supravadītspēju oksīdu sistēmās. Izstrādātāju neskaidrā ideja bija tāda, ka sistēmās, kas satur vielas ar mainīgu valences pakāpi, ir iespējama supravadītspēja augstākā temperatūrā. Binārās sistēmas, t.i. kas sastāv no diviem dažādiem oksīdiem. Nevarēja atrast supravadītspēju. Un tikai trīskāršās sistēmās Bao-la₂O₃-KuO 1986. gadā tika konstatēta supravadītspēja 30-35 K temperatūrā. Par šo darbu Bednorts un Mullers saņēma Nobela prēmiju sekojošā laikā (!!) 1987

Intensīvie saistīto savienojumu pētījumi gada laikā ļāva atklāt sistēmas supravadītspēju Bao-y₂O₃-KuO 90 K temperatūrā. supravadītspēju faktiski iegūst vēl sarežģītākā sistēmā, kuras formulu var attēlot kā Yba₂Cu₃O_7-d. Vērtība d supervadoša materiāla augstākajai temperatūrai ir 0,2. Tas nozīmē ne tikai noteiktu procentuālo daudzumu sākuma oksīdu, bet arī samazinātu skābekļa saturu.

Patiešām, ja jūs aprēķināt pēc valences, tad itrijs - 3, bārijs - divi, varš 1 vai 2. Tad metālu kopējais valents ir 10 vai 13, un skābekļa ir nedaudz mazāks par 14. Tāpēc šajā keramikā ir skābekļa pārpalikums attiecībā pret stehiometrisko. korelācija.

Keramika tiek ražota, izmantojot parasto keramikas tehnoloģiju. Kā padarīt vadus no trauslas vielas? Vienā veidā pulvera suspensiju sagatavo piemērotā šķīdinātājā, pēc tam šķīdumu piespiež caur presformu, žāvē un satin uz mucas. Galīgo saites noņemšanu veic, sadedzinot, vads ir gatavs. Šādu šķiedru īpašības: kritiskā temperatūra 90-82 K, pie 100 K r= 12 mOhm · cm (aptuveni kā grafīts), kritiskās strāvas blīvums 4000 A / m².

Ļaujiet mums pakavēties pie pēdējā cipara. Šī vērtība ir ārkārtīgi zema izmantošanai enerģētikas nozarē. Salīdzinot ar ekonomisko strāvas blīvumu (~1 A / mm²), redzams, ka keramikā strāvas blīvums ir 250 reizes mazāks. Zinātnieki izpētīja šo jautājumu un nonāca pie secinājuma, ka vainīgi ir kontakti, kas neveic supravadīšanu. Patiešām, atsevišķi kristāli ir ieguvuši strāvas blīvumu, kas sasniedz ekonomisko strāvas blīvumu. Un pēdējos divos vai trīs gados ir iegūti keramikas stieples, kuru strāvas blīvums pārsniedz ekonomisko strāvas blīvumu.

1999. gadā Japānā tika pasūtīts supravadošs kabelis, kas savienoja divas metro stacijas. Kabelis tiek izgatavots, izmantojot "sviestmaizes" tehnoloģiju, t.i. trauslā keramika tajā atrodas starp diviem elastīga un kaļamā vara slāņiem. Izolācija un tajā pašā laikā dzesēšanas līdzeklis ir šķidrs slāpeklis.

Kāda, jūsuprāt, ir viena no galvenajām šī kabeļa problēmām? Jūs varat uzminēt, ka šie jautājumi iepriekš tika apspriesti saistībā ar izolāciju. Izrādās, ka dielektriskie zudumi tik brīnišķīgā dielektrikā kā šķidrais slāpeklis to sasilda, kam nepieciešama pastāvīga rūpība par papildu dzesēšanu.

Bet esnepadodies, un saskaņā ar Japānas ziņu aģentūru sniegto informāciju TEPCO plāno izveidot pirmos supravadošos tīklus, lai piegādātu elektrību dzīvojamajām ēkām. Pirmajā posmā Jokohamā tiks novietoti apmēram 300 kilometru šādu kabeļu, kas aptvers apmēram pusmiljonu ēku!