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In naher Zukunft werden alle Stromkabel aus supraleitenden Materialien bestehen

 

Das Prinzip der Supraleitung. Magnetfeldeffekt

Das Prinzip der Supraleitung. MagnetfeldeffektDer Stromfluss in Leitern ist immer mit Energieverlusten verbunden, d.h. mit dem Übergang von Energie von elektrisch zu thermisch. Dieser Übergang ist irreversibel, der umgekehrte Übergang ist nur mit dem Abschluss der Arbeiten verbunden, da die Thermodynamik davon spricht. Es besteht jedoch die Möglichkeit, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln und die sogenannte zu nutzen thermoelektrischer Effekt, wenn zwei Kontakte von zwei Leitern verwendet werden, von denen einer erwärmt und der andere gekühlt wird.

In der Tat, und diese Tatsache ist überraschend, gibt es eine Reihe von Leitern, bei denen unter bestimmten Bedingungen während des Stromflusses kein Energieverlust auftritt! In der klassischen Physik ist dieser Effekt unerklärlich.

Nach der klassischen elektronischen Theorie tritt die Bewegung eines Ladungsträgers in einem gleichmäßig beschleunigten elektrischen Feld auf, bis er mit einem Strukturfehler oder einer Gitterschwingung kollidiert. Wenn es nach einer Kollision unelastisch ist, wie eine Kollision zweier Plastilinkugeln, verliert ein Elektron Energie und überträgt sie auf ein Gitter aus Metallatomen. In diesem Fall kann grundsätzlich keine Supraleitung vorliegen.

Es stellt sich heraus, dass Supraleitung nur unter Berücksichtigung von Quanteneffekten auftritt. Es ist schwer vorstellbar. Eine schwache Vorstellung vom Supraleitungsmechanismus kann aus den folgenden Überlegungen erhalten werden.

Es stellt sich heraus, dass das Elektron das Atom des ihm am nächsten gelegenen Gitters polarisieren kann, d.h. Ziehen Sie es aufgrund der Wirkung der Coulomb-Kraft leicht zu sich hin, dann verschiebt dieses Gitteratom das nächste Elektron leicht. Eine Bindung eines Elektronenpaares wird gebildet.

Wenn sich das Elektron bewegt, nimmt die zweite Komponente des Paares sozusagen die Energie wahr, die das Elektron auf das Atom des Gitters überträgt. Es stellt sich heraus, dass sich die Energie eines Elektronenpaares, wenn wir sie berücksichtigen, während einer Kollision nicht ändert, d. H. Elektronenenergieverlust tritt nicht auf! Solche Elektronenpaare werden Cooper-Paare genannt.


Im Allgemeinen ist es für eine Person mit etablierten physischen Ideen schwer zu verstehen. Es ist für Sie leichter zu verstehen, zumindest können Sie es als selbstverständlich betrachten.

Supraleitungauch Überflüssigkeitwurden in Experimenten bei extrem niedrigen Temperaturen nahe der absoluten Nulltemperatur gefunden. Wenn Sie sich dem absoluten Nullpunkt nähern, frieren die Gitterschwingungen ein. Der Widerstand gegen den Stromfluss nimmt auch nach der klassischen Theorie ab, bei einer bestimmten kritischen Temperatur T jedoch auf Nullmitnimmt es nur nach Quantengesetzen ab.

Die Supraleitung wurde durch zwei Phänomene entdeckt: erstens durch das Verschwinden des elektrischen Widerstands und zweitens durch Diamagnetismus. Das erste Phänomen ist klar - wenn Sie einen bestimmten Strom durchlassen Ich durch den Leiter, dann durch den Spannungsabfall U. Auf dem Leiter können Sie den Widerstand bestimmen R = U / I. Das Verschwinden der Spannung bedeutet das Verschwinden des Widerstands als solchem.

Das zweite Phänomen erfordert eine detailliertere Betrachtung. Logischerweise ist der Mangel an Widerstand identisch mit der absoluten diamagnetischen Natur des Materials. Stellen Sie sich in der Tat ein wenig Erfahrung vor. Wir werden supraleitendes Material in den Bereich des Magnetfelds einführen. Nach dem Joule-Lenz-Gesetz muss im Leiter ein Strom auftreten, der die Änderung des Magnetflusses vollständig kompensiert, d.h. Der magnetische Fluss durch den Supraleiter war beide Null und bleibt Null. In einem herkömmlichen Leiter fällt dieser Strom ab, weil Der Leiter hat einen Widerstand. Erst dann dringt ein Magnetfeld in den Leiter ein. In einem Supraleiter verblasst es nicht.Dies bedeutet, dass der fließende Strom zu einer vollständigen Kompensation des Magnetfelds in sich selbst führt, d. H. das Feld dringt nicht ein. Aus formaler Sicht bedeutet ein Nullfeld, dass die magnetische Permeabilität des Materials Null ist. m = 0, d.h. Der Körper manifestiert sich als absoluter Diamagnet.

Diese Phänomene sind jedoch nur für schwache Magnetfelder charakteristisch. Es stellt sich heraus, dass ein starkes Magnetfeld in das Material eindringen kann, außerdem zerstört es die Supraleitung selbst! Einführung in das Konzept des kritischen Feldes B.mitdas zerstört einen Supraleiter. Es kommt auf die Temperatur an: Maximum bei einer Temperatur nahe Null, verschwindet beim Übergang zu einer kritischen Temperatur T.mit. Warum ist es für uns wichtig, die Spannung (oder Induktion) zu kennen, bei der die Supraleitung verschwindet? Tatsache ist, dass, wenn ein Strom durch einen Supraleiter fließt, physikalisch ein Magnetfeld um den Leiter erzeugt wird, das auf den Leiter wirken sollte.

Zum Beispiel für einen zylindrischen Leiter mit dem Radius r, der in einem Medium mit magnetischer Permeabilität angeordnet ist mwird eine magnetische Induktion auf der Oberfläche gemäß dem Gesetz von Bio-Savard-Laplace sein

B. = m0× m ×I / 2pr (1)

Je größer der Strom, desto größer das Feld. Somit verschwindet mit einer gewissen Induktion (oder Spannung) die Supraleitung, und daher kann nur ein Strom durch den Leiter geleitet werden, der geringer ist als der, der eine kritische Induktion erzeugt.

Für ein supraleitendes Material haben wir also zwei Parameter: kritische Magnetfeldinduktion B.mit und kritische Temperatur T.mit.  

Bei Metallen liegen die kritischen Temperaturen nahe an den absoluten Nulltemperaturen. Dies ist der Bereich der sogenannten "Helium" -Temperaturen, vergleichbar mit dem Siedepunkt von Helium (4,2 K). In Bezug auf die kritische Induktion können wir sagen, dass sie relativ klein ist. Es kann mit der Induktion in Transformatoren (1-1,5 T) verglichen werden. Oder zum Beispiel mit Induktion in der Nähe des Drahtes. Zum Beispiel berechnen wir die Induktion in Luft in der Nähe eines Drahtes mit einem Radius von 1 cm und einem Strom von 100 A.

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

Einsetzen in Ausdruck (1) ergibt B = 2 mT, d. H. Einen Wert, der ungefähr kritisch entspricht. Dies bedeutet, dass, wenn ein solcher Leiter in eine Stromleitung eingespeist wird, beispielsweise 6 kV, die maximale Leistung, die durch jede Phase übertragen werden kann, P istm = U.f· Ich = 600 kW. Das betrachtete Beispiel zeigt, dass das intrinsische Magnetfeld die Fähigkeit begrenzt, Energie durch einen kryogenen Draht zu übertragen. Darüber hinaus ist der kritische Induktionswert umso niedriger, je näher die Temperatur an der kritischen Temperatur liegt.



Niedertemperatursupraleiter

Oben habe ich mich bereits auf einige spezifische supraleitende Materialien konzentriert. Grundsätzlich ist die Eigenschaft der Supraleitung für fast alle Materialien charakteristisch. Nur für die elektrisch leitfähigsten - Kupfer, Silber (Paradoxon?) - wird keine Supraleitung festgestellt. Die spezifische Anwendung der Supraleitung im Energiesektor ist verlockend: Verlustfreie Stromleitungen wären wunderbar. Eine weitere Anwendung ist ein Generator mit supraleitenden Wicklungen. Eine Probe eines solchen Generators wurde in St. Petersburg entwickelt und erfolgreiche Tests wurden durchgeführt. Die dritte Option ist ein Elektromagnet, dessen Induktion in Abhängigkeit von der Stromstärke gesteuert gesteuert werden kann.

Ein weiteres Beispiel ist ein supraleitender induktiver Speicher. Stellen Sie sich eine riesige Spule aus supraleitendem Leiter vor. Wenn Sie auf irgendeine Weise Strom einspeisen und die Eingangs- und Ausgangsleitungen schließen, fließt der Strom in der Spule unbegrenzt. Nach einem bekannten Gesetz wird Energie in einer Spule eingeschlossen

W = l× Ich2/2

wo L.- Spuleninduktivität. Hypothetisch kann man sich vorstellen, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt überschüssige Energie im Energiesystem vorhanden ist und Energie aus diesem in eine solche Speichervorrichtung entnommen wird. Hier wird es so lange wie nötig bis zum Energiebedarf gelagert. Dann wird es allmählich steuerbar in das Stromnetz zurückgepumpt.

In der Physik und der Technologie der Supraleitung gibt es auch Niederstromanaloga der Funkelemente herkömmlicher Elektronik. Beispielsweise sind in den Systemen "Supraleiter - eine dünne Schicht aus Widerstandsmetall (oder Dielektrikum) - Supraleiter" eine Reihe neuer physikalischer Effekte möglich, die bereits in der Elektronik verwendet werden. Dies ist die Quantisierung des Magnetflusses in einem Ring, der ein solches Element enthält, die Möglichkeit einer abrupten Änderung des Stroms in Abhängigkeit von der Spannung, wenn eine schwache Strahlung an das System angelegt wird, und Standardspannungsquellen, die nach diesem Prinzip mit einer Genauigkeit von 10 aufgebaut sind-10 B. Zusätzlich gibt es Speicherelemente, Analog-Digital-Wandler usw. Es gibt sogar einige Supraleiter-Computerdesigns.

Die Dringlichkeit des Problems der Mikrominiaturisierung unter Verwendung von Halbleitern besteht darin, dass bereits eine geringe Energiefreisetzung in einem sehr kleinen Volumen zu einer erheblichen Überhitzung führen kann und das Problem der Wärmeableitung akut ist.

Dieses Problem ist besonders für Supercomputer relevant. Es stellt sich heraus, dass lokale Wärmeströme von Mikrochips Kilowatt pro Quadratzentimeter erreichen können. Es ist nicht möglich, Wärme auf übliche Weise durch Blasen von Luft abzuleiten. Sie schlugen vor, den Fall von Mikroschaltungen zu entfernen und den Mikrokristall direkt zu blasen. Hier trat das Problem einer schlechten Wärmeübertragung an die Luft auf. Der nächste Schritt bestand darin, alles mit Flüssigkeit zu füllen und Wärme durch Kochen der Flüssigkeit auf diesen Elementen zu entfernen. Die Flüssigkeit sollte sehr sauber sein, keine Mikropartikel enthalten und keines der vielen Elemente des Computers auswaschen. Bisher wurden diese Probleme nicht vollständig gelöst. Die Forschung wird mit Organofluorflüssigkeiten durchgeführt.

Bei supraleitenden Computern gibt es keine derartigen Probleme, weil kein Verlust. Das Abkühlen der Ausrüstung auf kryogene Temperaturen ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Darüber hinaus sind die Kosten umso höher, je näher der absolute Nullpunkt liegt. Darüber hinaus ist die Abhängigkeit nichtlinear, sie ist sogar stärker als die umgekehrt proportionale Abhängigkeit.

Die Temperaturskala im kryogenen Bereich wird herkömmlicherweise nach den Siedepunkten von Flüssiggasen in mehrere Bereiche unterteilt: Helium (unter 4,2 K), Wasserstoff 20,5 K, Stickstoff 77 K, Sauerstoff 90 K, Ammoniak (-33) °C) Wenn wir ein Material mit einem Siedepunkt nahe oder oberhalb von Wasserstoff finden könnten, wären die Kosten für die Aufrechterhaltung des Betriebszustands des Kabels zehnmal geringer als bei Heliumtemperaturen. Beim Übergang zu Stickstofftemperaturen würde sich ein Gewinn um mehrere Größenordnungen ergeben. Daher haben supraleitende Materialien, die bei Heliumtemperaturen arbeiten, obwohl sie vor mehr als 80 Jahren entdeckt wurden, im Energiesektor immer noch keine Anwendung gefunden.

Es ist anzumerken, dass nach jedem technologischen Durchbruch nachfolgende Versuche unternommen werden, eine funktionierende kryogene Vorrichtung zu entwickeln. Fortschritte in der Technologie haben zu Legierungen geführt, die die besten kritischen Induktions- und Temperatureigenschaften aufweisen.

In den frühen 70er Jahren gab es einen Boom bei der Untersuchung von Stannid-Niob Nb3Sn. Er hat B.mit = 22 T und T.mit= 18 K. Bei diesen Supraleitern ist der Effekt der Supraleitung im Gegensatz zu Metallen jedoch komplizierter. Es stellt sich heraus, dass sie zwei Werte der kritischen Spannung B habenc0 und B.s1.  

In der Lücke zwischen ihnen hat das Material keinen Widerstand gegen Gleichstrom, sondern einen endlichen Widerstand gegen Wechselstrom. Und obwohl Inc0 groß genug, aber die Werte der zweiten kritischen Induktion B.s1 unterscheidet sich kaum von den entsprechenden Werten für Metalle. "Einfache" Supraleiter werden Supraleiter der ersten Art und "komplexe" Supraleiter der zweiten Art genannt.

Neue intermetallische Verbindungen haben nicht die Duktilität von Metallen, daher wurde gleichzeitig die Frage gelöst, wie erweiterte Elemente wie Drähte aus spröden Materialien hergestellt werden können.Es wurden verschiedene Optionen entwickelt, darunter die Herstellung von Verbundwerkstoffen wie ein Schichtkuchen mit Kunststoffmetallen wie Kupfer, die Abscheidung von Intermetallen auf einem Kupfersubstrat usw., die bei der Entwicklung supraleitender Keramiken nützlich waren.

Supraleitende Keramik

supraleitendes KabelDer nächste radikale Schritt bei der Untersuchung der Supraleitung war der Versuch, die Supraleitung in Oxidsystemen zu finden. Die vage Idee der Entwickler war, dass in Systemen, die Substanzen mit variabler Wertigkeit enthalten, Supraleitung und bei höheren Temperaturen möglich ist. Binäre Systeme, d.h. bestehend aus zwei verschiedenen Oxiden. Supraleitung konnte nicht gefunden werden. Und nur in Dreifachsystemen Bao-la2O.3-CuO 1986 wurde eine Supraleitung bei einer Temperatur von 30-35 K nachgewiesen. Für diese Arbeit erhielten Bednorts und Müller im Folgenden (!!) 1987 den Nobelpreis

Intensive Untersuchungen verwandter Verbindungen im Laufe des Jahres führten zur Entdeckung der Supraleitung im System Bao-y2O.3-CuO bei einer Temperatur von 90 K. Tatsächlich wird die Supraleitung in einem noch komplexeren System erhalten, dessen Formel wie folgt dargestellt werden kann Yba2Cu3O.7-d. Wert d für die höchste Temperatur beträgt das supraleitende Material 0,2. Dies bedeutet nicht nur einen bestimmten Prozentsatz der Ausgangsoxide, sondern auch einen reduzierten Sauerstoffgehalt.

Wenn Sie nach der Wertigkeit berechnen, dann Yttrium - 3, Barium - 2, Kupfer 1 oder 2. Dann haben die Metalle eine Gesamtvalenz von 10 oder 13 und Sauerstoff - etwas weniger als 14. Daher gibt es in dieser Keramik einen Sauerstoffüberschuss relativ zur Stöchiometrie Korrelation.

Keramik wird mit konventioneller Keramiktechnologie hergestellt. Wie macht man Drähte aus einer zerbrechlichen Substanz? Ein Weg, eine Suspension des Pulvers wird in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt, dann wird die Lösung durch eine Düse gedrückt, getrocknet und auf eine Trommel gewickelt. Die endgültige Entfernung des Bandes erfolgt durch Brennen, der Draht ist fertig. Eigenschaften solcher Fasern: kritische Temperaturen 90-82 K bei 100 K. r= 12 mOhm · cm (ungefähr wie Graphit), kritische Stromdichte 4000 A / m2.

Lassen Sie uns bei der letzten Ziffer verweilen. Dieser Wert ist für den Einsatz im Energiesektor extrem niedrig. Vergleich mit der wirtschaftlichen Stromdichte (~1 A / mm2) ist zu sehen, dass in Keramik die Stromdichte 250-mal niedriger ist. Wissenschaftler untersuchten dieses Problem und kamen zu dem Schluss, dass Kontakte, die nicht supraleitend sind, schuld sind. In der Tat haben Einkristalle Stromdichten erhalten, die die wirtschaftliche Stromdichte erreichen. In den letzten zwei oder drei Jahren wurden Keramikdrähte erhalten, deren Stromdichte die wirtschaftliche Stromdichte übersteigt.

1999 wurde in Japan ein supraleitendes Kabel zwischen zwei U-Bahn-Stationen in Betrieb genommen. Das Kabel wird unter Verwendung der Technologie von "Sandwich" hergestellt, d.h. Die zerbrechliche Keramik befindet sich zwischen zwei Schichten aus elastischem und duktilem Kupfer. Die Isolierung und gleichzeitig das Kältemittel ist flüssiger Stickstoff.

Was ist Ihrer Meinung nach eines der Hauptprobleme bei diesem Kabel? Sie können davon ausgehen, dass diese Probleme zuvor im Zusammenhang mit der Isolation erörtert wurden. Es stellt sich heraus, dass der dielektrische Verlust in einem so wunderbaren Dielektrikum wie flüssigem Stickstoff es erwärmt, was eine ständige Pflege für zusätzliche Kühlung erfordert.

supraleitendes Kabel

Aber ichGeben Sie nicht auf, und laut Nachrichtenagenturen in Japan beabsichtigt TEPCO, die ersten supraleitenden Netze für die Stromversorgung von Wohngebäuden zu schaffen. In der ersten Phase werden in Yokohama ungefähr 300 Kilometer solcher Kabel verlegt, die ungefähr eine halbe Million Gebäude umfassen werden!

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

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