В близко бъдеще всички силови кабели ще бъдат направени от свръхпроводящи материали

Принципът на свръхпроводимостта. Ефект от магнитно поле

Потокът на ток в проводниците винаги е свързан с загуби на енергия, т.е. с прехода на енергия от електрическа към топлинна. Този преход е необратим, обратният преход се свързва само с приключването на работата, тъй като термодинамиката говори за това. Съществува обаче възможността за преобразуване на топлинната енергия в електрическа енергия и използване на т.нар термоелектричен ефект, когато се използват два контакта на два проводника, единият от които се нагрява, а другият се охлажда.

Всъщност и този факт е изненадващ, има редица проводници, в които при определени условия няма загуба на енергия по време на течението на тока! В класическата физика този ефект е необясним.

Според класическата електронна теория, движението на носител на заряд се случва в електрическо поле, равномерно ускорено, докато не се сблъска със структурен дефект или с вибрация на решетката. След сблъсък, ако е нееластичен, като сблъсък на две пластилинови топки, електрон губи енергия, прехвърляйки го върху решетка от метални атоми. В този случай по принцип не може да има свръхпроводимост.

Оказва се, че свръхпроводимостта се появява само когато се вземат предвид квантовите ефекти. Трудно е да си го представим Някои слаби идеи за механизма на свръхпроводимост могат да се получат от следните съображения.

Оказва се, като се има предвид, че електронът може да поляризира атома на най-близката до него решетка, т.е. дръпнете го леко към вас поради действието на кулоновската сила, тогава този атомен решетка леко ще измести следващия електрон. Образува се връзка от двойка електрони, както би било.

Когато електронът се движи, вторият компонент на двойката сякаш възприема енергията, която електронът предава на атома на решетката. Оказва се, че ако вземем предвид енергията на двойка електрони, тогава тя не се променя по време на сблъсък, т.е. електронна загуба на енергия не се случва! Такива електронни двойки се наричат ​​двойки на Купър.

По принцип е трудно да се разбере за човек с установени физически идеи. За вас е по-лесно да разберете, поне можете да го приемете за даденост.

свръхпроводимостсъщо свръхфлуидностбяха открити в експерименти при ултра ниски температури, близо до абсолютни нулеви температури. Когато наближите абсолютната нула, вибрациите на решетката замръзват. Съпротивлението на потока на тока намалява дори според класическата теория, но до нула при определена критична температура T_с, тя намалява само според квантовите закони.

Свръхпроводимостта беше открита от две явления: първо, от факта на изчезването на електрическото съпротивление и второ - от диамагнетизма. Първото явление е ясно - ако преминете определен ток аз през проводника, след това от спада на напрежението U върху проводника можете да определите съпротивлението R = U / I. Изчезването на напрежението означава изчезване на съпротивата като такава.

Второто явление изисква по-подробно разглеждане. Логично липсата на съпротива е идентична с абсолютната диамагнитна природа на материала. Наистина, представете си малко преживяване. Ще въведем свръхпроводящ материал в областта на магнитното поле. Според закона на Джоул-Ленц в проводника трябва да възникне ток, който напълно компенсира промяната в магнитния поток, т.е. магнитният поток през свръхпроводника беше нулев и остава нулев. В конвенционален проводник този ток се разпада, защото проводникът има съпротивление. Едва тогава магнитното поле прониква в проводника. При свръхпроводник не избледнява.Това означава, че течащият ток води до пълна компенсация на магнитното поле вътре в себе си, т.е. полето не прониква в него. От формална гледна точка нулево поле означава, че магнитната проницаемост на материала е нула, т.е. m = 0, т.е. тялото се проявява като абсолютен диамагнетик.

Тези явления обаче са характерни само за слаби магнитни полета. Оказва се, че силно магнитно поле може да проникне в материала, освен това унищожава самата свръхпроводимост! Въведете концепцията за критично поле B_скоето унищожава свръхпроводник. Зависи от температурата: максимум при температура, близка до нула, изчезва при преминаване към критична температура T_с, Защо е важно да знаем напрежението (или индукцията), при което свръхпроводимостта изчезва? Факт е, че когато ток тече през свръхпроводник, около проводника се създава магнитно поле, което трябва да действа върху проводника.

Например за цилиндричен проводник с радиус r, поставен в среда с магнитна проницаемост m, магнитна индукция на повърхността в съответствие със закона на Bio-Savard-Laplace ще бъде

B = m₀× m ×I / 2рr (1)

Колкото по-голям е токът, толкова по-голямо е полето. По този начин с някаква индукция (или напрежение) свръхпроводимостта изчезва и следователно през проводника може да се пропуска само ток, по-малък от този, който създава критична индукция.

По този начин за свръхпроводящ материал имаме два параметъра: индукция на критично магнитно поле B_с и критична температура T_с.  

За металите критичните температури са близки до абсолютните нулеви температури. Това е областта на т.нар Температури на „хелий“, сравними с точката на кипене на хелия (4.2 K). По отношение на критичната индукция можем да кажем, че тя е сравнително малка. Може да се сравни с индукция в трансформатори (1-1,5 T). Или например с индукция близо до жицата. Например, изчисляваме индукция във въздух в близост до жица с радиус 1 см с ток 100 А.

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

Замествайки в израз (1), получаваме B = 2 mT, т.е. стойност, приблизително съответстваща на критичната. Това означава, че ако такъв проводник бъде поставен в електропровод, например 6 kV, тогава максималната мощност, която може да бъде предадена през всяка фаза, ще бъде P_m = U_е· Аз = 600 кВт. Разгледаният пример показва, че присъщото магнитно поле ограничава способността за предаване на мощност чрез криогенен проводник. Освен това, колкото по-близо е температурата до критичната температура, толкова по-ниска е стойността на критичната индукция.

Свръхпроводници с ниска температура

По-горе вече се съсредоточих върху някои специфични свръхпроводими материали. По принцип свойството на свръхпроводимост е характерно за почти всички материали. Само за най-електропроводимите - медна, сребърна (парадоксална?) Свръхпроводимост не се открива. Специфичното приложение на свръхпроводимост в енергийния сектор е примамливо: прекрасното използване на електропроводи без загуби би било прекрасно. Друго приложение е генератор със свръхпроводящи намотки. Проба от такъв генератор беше разработена в Санкт Петербург и бяха проведени успешни тестове. Третият вариант е електромагнит, индукцията на който може да се контролира контролирано в зависимост от силата на тока.

Друг пример е свръхпроводящо индуктивно съхранение. Представете си огромна намотка от свръхпроводящ проводник. Ако инжектирате ток в него по някакъв начин и затворите входните и изходните проводници, токът в намотката ще тече за неопределено време. В съответствие с известния закон, енергията ще бъде затворена в намотка

W = l× аз²/2

където L- индуктивност на бобината Хипотетично може да си представим, че в даден момент има излишна енергия в енергийната система, енергията се поема от нея в такова устройство за съхранение. Тук той се съхранява толкова дълго, колкото е необходимо, докато не се появи нужда от енергия. След това постепенно, контролируемо се изпомпва обратно в електроенергийната система.

Във физиката и технологията на свръхпроводимостта има и аналози с нисък ток на радиоелементите на конвенционалната електроника. Например в системите „свръхпроводник - тънък слой от резистивен метал (или диелектрик) - свръхпроводник“ са възможни редица нови физични ефекти, които вече се използват в електрониката. Това е квантуването на магнитния поток в пръстен, съдържащ такъв елемент, възможността за рязка промяна в тока в зависимост от напрежението, когато системата е изложена на слабо излъчване, и стандартни източници на напрежение, изградени на този принцип с точност 10^-10 Б. В допълнение има елементи за съхранение, аналогово-цифрови преобразуватели и т.н. Има дори няколко компютърни дизайна на свръхпроводник.

Спешността на проблема с микроминиатуризацията с използване на полупроводници е, че дори малко отделяне на енергия в много малък обем може да доведе до значително прегряване и проблемът с разсейването на топлината е остър.

Този проблем е особено актуален за суперкомпютрите. Оказва се, че микрочипите локални топлинни потоци могат да достигнат киловат на квадратен сантиметър. Не е възможно да се отстранява топлината по обичайния начин, чрез издухване на въздух. Те предложиха да се премахне случаят с микросхемите и да се издуха директно микрокристала. Тук възникна проблемът с лошия пренос на топлина във въздуха. Следващата стъпка беше да се напълни всичко с течност и да се отстрани топлината чрез варене на течността върху тези елементи. Течността трябва да е много чиста, да не съдържа микрочастици, да не измива някой от многото елементи на компютъра. Засега тези въпроси не са напълно решени. Изследванията се провеждат с органофлуорни течности.

В свръхпроводящите компютри няма такива проблеми, защото няма загуба. Охлаждането на оборудването до криогенни температури обаче изисква много разходи. Освен това, колкото по-близо до абсолютната нула - толкова по-големи са разходите. Освен това зависимостта е нелинейна, дори е по-силна от обратнопропорционалната зависимост.

Температурната скала в криогенния регион условно се разделя на няколко области според температурата на кипене на втечнените газове: хелий (под 4,2 K), водород 20,5 K, азот 77 K, кислород 90 K, амоняк (-33 °C). Ако можехме да намерим материал с точка на кипене близо до или над водород, цената за поддържане на кабела в работно състояние би била десет пъти по-малка, отколкото за температурата на хелий. При преминаване към азотни температури ще има печалба с няколко порядъка. Следователно свръхпроводящите материали, работещи при хелиеви температури, въпреки че са открити преди повече от 80 години, все още не са намерили приложение в енергийния сектор.

Може да се отбележи, че последващи опити за разработване на работещо криогенно устройство се правят след всеки пробив в технологията. Напредъкът в технологиите доведе до сплави с най-добри критични характеристики на индукция и температура.

Така че в началото на 70-те години имаше бум в изследването на станиден ниобиум Nb₃Sn. Той има Б_с = 22 T и T_с= 18 K. В тези свръхпроводници обаче, за разлика от металите, ефектът от свръхпроводимостта е по-сложен. Оказва се, че те имат две стойности на критичното напрежение B_c0 и Б_в1.  

В пролуката между тях материалът няма устойчивост на постоянен ток, но има ограничено съпротивление на променлив ток. И въпреки че в_c0 достатъчно големи, но стойностите на втората критична индукция B_в1 се различава малко от съответните стойности за металите. "Простите" свръхпроводници се наричат ​​свръхпроводници от първия вид, а "сложните" - свръхпроводници от втория вид.

Новите интерметални съединения нямат пластичност на металите, така че едновременно беше решен въпросът как да се правят удължени елементи като проводници от чупливи материали.Разработени са няколко варианта, включително създаването на композити като слоеста торта с пластмасови метали, като мед, отлагане на междинни части върху меден субстрат и др., Което беше полезно при разработването на свръхпроводяща керамика.

Свръхпроводяща керамика

Следващата радикална стъпка в изследването на свръхпроводимостта беше опит за намиране на свръхпроводимост в оксидните системи. Неясната идея на разработчиците беше, че в системи, съдържащи вещества с променлива валентна свръхпроводимост е възможна и при по-високи температури. Двоичните системи, т.е. състоящ се от два различни оксида. Не беше възможно да се намери свръхпроводимост. И само в тройните системи BaO-La₂О₃-CuO през 1986 г. свръхпроводимостта е открита при температура 30-35 К. За тази работа Беднортс и Мюлер получават Нобеловата награда в следното, (!!) 1987 г.

Интензивните проучвания на свързани съединения през годината доведоха до откриването на свръхпроводимост в системата BaO-Y₂О₃-CuO при температура 90 K. Всъщност свръхпроводимостта се получава в още по-сложна система, формулата на която може да бъде представена като YBA₂Cu₃О_7-г, стойност г за свръхпроводящ материал с най-висока температура е 0,2. Това означава не само определен процент от изходните оксиди, но и намалено съдържание на кислород.

Наистина, ако изчислите по валентност, тогава итрий - 3, барий - два, мед 1 или 2. Тогава металите имат обща валентност 10 или 13, а кислородът - малко по-малко от 14. Следователно в тази керамика има излишък на кислород спрямо стехиометричния съотношение.

Керамиката се произвежда по конвенционална керамична технология. Как да направите проводници от крехко вещество? Един от начините суспензията на праха се прави в подходящ разтворител, след което разтворът се прекарва през матрица, суши се и се навива върху барабан. Окончателното отстраняване на лигамента се извършва чрез изгаряне, жицата е готова. Свойства на такива влакна: критични температури 90-82 K, при 100 K R= 12 mOhm · cm, (приблизително като графит), плътност на критичния ток 4000 A / m².

Нека се спрем на последната цифра. Тази стойност е изключително ниска за използване в енергийния сектор. Сравняване с икономическата плътност на тока (~1 A / mm²), вижда се, че в керамиката плътността на тока е 250 пъти по-ниска. Учените изследваха този проблем и стигнаха до извода, че вината за контакти, които не са свръхпроводими. Всъщност монокристалите са получили плътност на тока, която достига икономическата плътност на тока. И през последните две-три години са получени керамични проводници, чиято плътност на тока надвишава икономическата плътност на тока.

През 1999 г. в Япония беше пуснат свръхпроводен кабел, свързващ две метростанции. Кабелът е направен по технологията на "сандвич", т.е. крехка керамика в нея е разположена между два слоя от еластична и пластична мед. Изолацията и в същото време хладилният агент е течен азот.

Кой според вас е един от основните проблеми с този кабел? Можете да се досетите, че тези въпроси бяха обсъждани по-рано във връзка с изолацията. Оказва се, че диелектричната загуба при такъв прекрасен диелектрик като течния азот го загрява, което изисква постоянна грижа за допълнително охлаждане.

Но азне се отказвайте и според информационните агенции в Япония, TEPCO възнамерява да създаде първите свръхпроводими мрежи за доставка на електричество до жилищни сгради. На първия етап в Йокохама ще бъдат положени приблизително 300 километра такива кабели, които ще покрият около половин милион сгради!