W niedalekiej przyszłości wszystkie kable zasilające będą wykonane z materiałów nadprzewodzących

Zasada nadprzewodnictwa. Efekt pola magnetycznego

Przepływ prądu w przewodnikach jest zawsze związany ze stratami energii, tj. z przejściem energii z elektrycznej na termiczną. Przejście to jest nieodwracalne, przejście odwrotne wiąże się tylko z zakończeniem pracy, o czym mówi termodynamika. Istnieje jednak możliwość zamiany energii cieplnej na energię elektryczną i wykorzystanie tzw efekt termoelektryczny, gdy stosowane są dwa styki dwóch przewodników, z których jeden jest podgrzewany, a drugi chłodzony.

W rzeczywistości, co jest zaskakujące, istnieje szereg przewodników, w których w pewnych warunkach nie dochodzi do strat energii podczas przepływu prądu! W fizyce klasycznej efekt ten jest niewytłumaczalny.

Zgodnie z klasyczną teorią elektroniczną ruch nośnika ładunku zachodzi w polu elektrycznym równomiernie przyspieszanym, aż zderzy się z defektem strukturalnym lub drganiami kratowymi. Po zderzeniu, jeśli jest nieelastyczny, jak zderzenie dwóch plastelinowych kul, elektron traci energię, przenosząc ją do sieci atomów metalu. W takim przypadku w zasadzie nie może być nadprzewodnictwa.

Okazuje się, że nadprzewodnictwo pojawia się tylko wtedy, gdy uwzględni się efekty kwantowe. Trudno to sobie wyobrazić. Pewne słabe pojęcie mechanizmu nadprzewodnictwa można uzyskać z następujących rozważań.

Okazuje się, biorąc pod uwagę, że elektron może spolaryzować atom najbliższej mu sieci, tj. pociągnij go lekko do siebie z powodu działania siły kulombowskiej, wtedy ten atom siatki nieznacznie przesunie następny elektron. Powstaje wiązanie pary elektronów.

Kiedy elektron się porusza, drugi składnik pary niejako odbiera energię, którą elektron przenosi do atomu sieci. Okazuje się, że jeśli weźmiemy pod uwagę energię pary elektronów, to nie zmienia się ona podczas zderzenia, tj. utrata energii elektronowej nie występuje! Takie pary elektronów nazywane są parami Coopera.

Ogólnie rzecz biorąc, trudno jest zrozumieć osobę o ustalonych fizycznych pomysłach. Łatwiej jest ci to zrozumieć, przynajmniej możesz wziąć to za pewnik.

Nadprzewodnictworównież nadciekłośćznaleziono w eksperymentach w ultraniskich temperaturach, zbliżonych do absolutnie zerowych temperatur. Gdy zbliżasz się do zera absolutnego, wibracje sieci zamarzają. Opór przepływu prądu spada nawet zgodnie z klasyczną teorią, ale do zera w pewnej temperaturze krytycznej T_zzmniejsza się tylko zgodnie z prawami kwantowymi.

Nadprzewodnictwo zostało odkryte przez dwa zjawiska: po pierwsze na fakt zaniku oporu elektrycznego, a po drugie na diamagnetyzmie. Pierwsze zjawisko jest jasne - jeśli przejdziesz pewien prąd Ja przez przewodnik, a następnie przez spadek napięcia U na przewodzie można określić rezystancję R = U / I. Zanik napięcia oznacza zanik oporu jako takiego.

Drugie zjawisko wymaga bardziej szczegółowego rozważenia. Logicznie, brak rezystancji jest identyczny z absolutną diamagnetyczną naturą materiału. Rzeczywiście, wyobraź sobie trochę doświadczenia. Wprowadzimy materiał nadprzewodzący do obszaru pola magnetycznego. Zgodnie z prawem Joule-Lenza w przewodniku musi wystąpić prąd, który całkowicie kompensuje zmianę strumienia magnetycznego, tj. strumień magnetyczny przez nadprzewodnik był równy zero i pozostaje zerowy. W tradycyjnym przewodzie prąd ten zanika, ponieważ przewodnik ma rezystancję. Dopiero wtedy pole magnetyczne penetruje przewodnik. W nadprzewodniku nie blaknie.Oznacza to, że przepływający prąd prowadzi do całkowitej kompensacji pola magnetycznego wewnątrz siebie, tj. pole nie wnika w nie. Z formalnego punktu widzenia pole zerowe oznacza, że ​​przenikalność magnetyczna materiału wynosi zero, m = 0 tj. ciało objawia się jako absolutna diamagnet.

Zjawiska te są jednak charakterystyczne tylko dla słabych pól magnetycznych. Okazuje się, że silne pole magnetyczne może przenikać do materiału, a ponadto niszczy samą nadprzewodnictwo! Przedstaw pojęcie pola krytycznego B_zktóry niszczy nadprzewodnik. Zależy to od temperatury: maksymalna w temperaturze zbliżonej do zera, znika po przejściu do temperatury krytycznej T_z. Dlaczego ważne jest, aby znać napięcie (lub indukcję), przy którym zanika nadprzewodnictwo? Faktem jest, że gdy prąd przepływa przez nadprzewodnik, pole magnetyczne jest fizycznie wytwarzane wokół przewodnika, który powinien oddziaływać na przewodnik.

Na przykład dla cylindrycznego przewodnika o promieniu r umieszczonego w ośrodku o przepuszczalności magnetycznej m, indukcja magnetyczna na powierzchni zgodnie z prawem Bio-Savard-Laplace będzie

B. = m₀× m ×I / 2pr (1)

Im większy prąd, tym większe pole. Tak więc, przy pewnej indukcji (lub napięciu), nadprzewodnictwo znika, a zatem tylko prąd mniejszy niż ten, który wytwarza indukcję krytyczną, może zostać przepuszczony przez przewodnik.

Zatem dla materiału nadprzewodzącego mamy dwa parametry: krytyczną indukcję pola magnetycznego B_z i temperatura krytyczna T_z.  

W przypadku metali temperatury krytyczne są zbliżone do absolutnie zerowych temperatur. Jest to obszar tzw Temperatury „helu”, porównywalne z temperaturą wrzenia helu (4,2 K). Jeśli chodzi o indukcję krytyczną, możemy powiedzieć, że jest ona stosunkowo niewielka. Można to porównać z indukcją w transformatorach (1-1,5 T). Lub na przykład z indukcją w pobliżu drutu. Na przykład obliczamy indukcję w powietrzu w pobliżu drutu o promieniu 1 cm przy prądzie 100 A.

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

Podstawiając do wyrażenia (1) otrzymujemy B = 2 mT, tj. Wartość w przybliżeniu odpowiadającą krytycznej. Oznacza to, że jeśli taki przewodnik zostanie umieszczony w linii elektroenergetycznej, na przykład 6 kV, wówczas maksymalna moc, którą można przekazać przez każdą fazę, będzie równa P_m = U_f· Ja = 600 kW. Rozważany przykład pokazuje, że wewnętrzne pole magnetyczne ogranicza zdolność do przenoszenia mocy przez drut kriogeniczny. Ponadto im bliższa jest temperatura krytyczna, tym niższa jest wartość indukcji krytycznej.

Nadprzewodniki niskotemperaturowe

Powyżej skupiłem się już na określonych materiałach nadprzewodzących. Zasadniczo właściwość nadprzewodnictwa jest charakterystyczna dla prawie wszystkich materiałów. Tylko dla najbardziej przewodzących prąd - miedzi, srebra (paradoks?) Nadprzewodnictwo nie jest wykrywane. Specyficzne zastosowanie nadprzewodnictwa w sektorze energetycznym jest kuszące: posiadanie bezstratnych linii energetycznych byłoby cudowne. Innym zastosowaniem jest generator z uzwojeniem nadprzewodzącym. Próbkę takiego generatora opracowano w Petersburgu i przeprowadzono udane testy. Trzecią opcją jest elektromagnes, którego indukcję można kontrolować w kontrolowany sposób w zależności od natężenia prądu.

Innym przykładem jest nadprzewodzące przechowywanie indukcyjne. Wyobraź sobie wielką cewkę przewodnika nadprzewodzącego. Jeśli w jakiś sposób wstrzykujesz do niego prąd i zamykasz przewody wejściowe i wyjściowe, wówczas prąd w cewce będzie płynął w nieskończoność. Zgodnie ze znanym prawem energia będzie zamknięta w cewce

W = l× Ja²/2

gdzie L.- indukcyjność cewki. Hipotetycznie można sobie wyobrazić, że w pewnym momencie w systemie energetycznym występuje nadmiar energii, energia jest pobierana z niego do takiego urządzenia magazynującego. Tutaj jest przechowywany tak długo, jak to konieczne, aż do zapotrzebowania na energię. Następnie jest stopniowo, kontrolowane pompowane z powrotem do systemu zasilania.

W fizyce i technologii nadprzewodnictwa istnieją również niskoprądowe analogi elementów radiowych konwencjonalnej elektroniki. Na przykład w systemach „nadprzewodnik - cienka warstwa oporowego metalu (lub dielektryka) - nadprzewodnik” możliwe są liczne nowe efekty fizyczne, które są już stosowane w elektronice. Jest to kwantyzacja strumienia magnetycznego w pierścieniu zawierającym taki element, możliwość nagłej zmiany prądu w zależności od napięcia, gdy system jest narażony na słabe promieniowanie, oraz standardowe źródła napięcia zbudowane na tej zasadzie z dokładnością do 10^-10 B. Ponadto istnieją elementy pamięci, konwertery analogowo-cyfrowe itp. Istnieje nawet kilka konstrukcji nadprzewodników.

Problem mikrominiaturyzacji za pomocą półprzewodników jest pilny, ponieważ nawet niewielkie uwolnienie energii w bardzo małej objętości może prowadzić do znacznego przegrzania, a problem rozpraszania ciepła jest ostry.

Ten problem jest szczególnie istotny w przypadku superkomputerów. Okazuje się, że lokalne strumienie ciepła mikroczipów mogą osiągać kilowaty na centymetr kwadratowy. Nie można usuwać ciepła w zwykły sposób przez przedmuchiwanie powietrza. Zasugerowali usunięcie obudowy mikroukładów i rozdmuchanie bezpośrednio mikrokryształu. Tutaj pojawił się problem słabego przenoszenia ciepła do powietrza. Następnym krokiem było wypełnienie wszystkiego płynem i usunięcie ciepła poprzez gotowanie płynu na tych elementach. Płyn powinien być bardzo czysty, nie zawierać mikrocząstek, nie zmywać żadnego z wielu elementów komputera. Jak dotąd problemy te nie zostały w pełni rozwiązane. Badania prowadzone są na płynach organofluorowych.

W komputerach nadprzewodzących nie ma takich problemów, ponieważ bez strat. Jednak schłodzenie sprzętu do temperatur kriogenicznych wymaga dużych kosztów. Co więcej, im bliżej zera absolutnego - tym większy koszt. Ponadto zależność jest nieliniowa, jest nawet silniejsza niż zależność odwrotnie proporcjonalna.

Skala temperatur w regionie kriogenicznym jest konwencjonalnie podzielona na kilka obszarów według punktów wrzenia skroplonych gazów: hel (poniżej 4,2 K), wodór 20,5 K, azot 77 K, tlen 90 K, amoniak (-33 °C) Gdyby można było znaleźć materiał o temperaturze wrzenia bliskiej lub powyżej wodoru, koszt utrzymania kabla w stanie roboczym byłby dziesięć razy niższy niż w przypadku temperatur helu. Po przejściu na temperaturę azotu uzyskano by zysk rzędu kilku rzędów wielkości. Dlatego materiały nadprzewodzące działające w temperaturach helu, mimo że zostały odkryte ponad 80 lat temu, wciąż nie znalazły zastosowania w sektorze energetycznym.

Można zauważyć, że kolejne próby opracowania działającego urządzenia kriogenicznego są podejmowane po każdym przełomie technologicznym. Postęp technologiczny doprowadził do powstania stopów o najlepszej krytycznej charakterystyce indukcji i temperatury.

Na początku lat 70. nastąpił rozkwit badań nad stannidem niobu Uwaga₃Sn. On ma B._z = 22 T i T._z= 18 K. Jednak w tych nadprzewodnikach, w przeciwieństwie do metali, efekt nadprzewodnictwa jest bardziej skomplikowany. Okazuje się, że mają dwie wartości napięcia krytycznego B._c0 i B_s1.  

W szczelinie między nimi materiał nie ma odporności na prąd stały, ale ma skończoną odporność na prąd przemienny. I chociaż w_c0 wystarczająco duże, ale wartości drugiej indukcji krytycznej B._s1 różni się niewiele od odpowiednich wartości dla metali. „Proste” nadprzewodniki nazywane są nadprzewodnikami pierwszego rodzaju, a „złożone” - nadprzewodnikami drugiego rodzaju.

Nowe związki międzymetaliczne nie mają ciągliwości metali, dlatego jednocześnie rozwiązano pytanie, jak wytwarzać elementy wydłużone, takie jak druty z kruchych materiałów.Opracowano kilka opcji, w tym tworzenie kompozytów, takich jak placek warstwowy z metalami z tworzyw sztucznych, takich jak miedź, osadzanie się międzymetali na miedzianym podłożu itp., Co było przydatne w rozwoju nadprzewodzących materiałów ceramicznych.

Ceramika nadprzewodząca

Kolejnym radykalnym krokiem w badaniach nadprzewodnictwa była próba znalezienia nadprzewodnictwa w układach tlenkowych. Niejasne pojęcie twórców było takie, że w układach zawierających substancje o zmiennej wartościowości nadprzewodnictwo jest możliwe w wyższych temperaturach. Systemy binarne, tj. składający się z dwóch różnych tlenków. Nie można było znaleźć nadprzewodnictwa. I tylko w potrójnych systemach Bao-la₂O₃-CuO w 1986 r. wykryto nadprzewodnictwo w temperaturze 30–35 K. Za tę pracę Bednorts i Muller otrzymali Nagrodę Nobla w następujących latach (!!) 1987

Intensywne badania powiązanych związków w ciągu roku doprowadziły do ​​odkrycia nadprzewodnictwa w układzie Bao-y₂O₃-CuO w temperaturze 90 K. W rzeczywistości nadprzewodnictwo uzyskuje się w jeszcze bardziej złożonym układzie, którego wzór można przedstawić jako Yba₂Cu₃O_7-d. Wartość d dla najwyższej temperatury materiału nadprzewodzącego wynosi 0,2. Oznacza to nie tylko pewien procent wyjściowych tlenków, ale także zmniejszoną zawartość tlenu.

Rzeczywiście, jeśli obliczasz wartościowość, to itr - 3, bar - dwa, miedź 1 lub 2. Następnie metale mają całkowitą wartościowość 10 lub 13, a tlen ma nieco mniej niż 14. Dlatego w tej ceramice występuje nadmiar tlenu w stosunku do stechiometrycznego korelacja.

Ceramika jest produkowana przy użyciu konwencjonalnej technologii ceramicznej. Jak zrobić druty z delikatnej substancji? Jeden sposób, zawiesinę proszku wytwarza się w odpowiednim rozpuszczalniku, następnie roztwór przeciska się przez matrycę, suszy i nawija na bęben. Ostateczne usunięcie więzadła odbywa się przez spalenie, drut jest gotowy. Właściwości takich włókien: temperatury krytyczne 90–82 K, przy 100 K. r= 12 mOhm · cm (w przybliżeniu jak grafit), gęstość prądu krytycznego 4000 A / m².

Zastanówmy się nad ostatnią cyfrą. Ta wartość jest wyjątkowo niska w przypadku zastosowania w sektorze energetycznym. W porównaniu z gęstością prądu ekonomicznego (~1 A / mm²), widać, że w ceramice gęstość prądu jest 250 razy niższa. Naukowcy zbadali ten problem i doszli do wniosku, że winni są kontakty, które nie są nadprzewodnikami. Rzeczywiście, pojedyncze kryształy uzyskały gęstości prądu, które osiągają gęstość prądu ekonomicznego. W ciągu ostatnich dwóch lub trzech lat uzyskano druty ceramiczne, których gęstość prądu przekracza gęstość prądu ekonomicznego.

W 1999 r. W Japonii oddano do użytku kabel nadprzewodzący łączący dwie stacje metra. Kabel jest wykonany w technologii „sandwich”, tj. delikatna ceramika w nim znajduje się między dwiema warstwami elastycznej i ciągliwej miedzi. Izolacją, a jednocześnie czynnikiem chłodniczym jest ciekły azot.

Jak myślisz, co jest jednym z głównych problemów z tym kablem? Można się domyślić, że kwestie te były wcześniej omawiane w związku z izolacją. Okazuje się, że utrata dielektryczna w tak cudownym dielektryku jak ciekły azot ogrzewa go, co wymaga ciągłej dbałości o dodatkowe chłodzenie.

Ale janie poddawaj się i według japońskich agencji prasowych TEPCO zamierza stworzyć pierwsze nadprzewodzące sieci do dostarczania energii elektrycznej do budynków mieszkalnych. W pierwszym etapie w Jokohamie ułożonych zostanie około 300 kilometrów takich kabli, które obejmie około pół miliona budynków!