Dalam masa terdekat, semua kabel kuasa akan diperbuat daripada bahan superconducting

Prinsip superconductivity. Kesan medan magnet

Aliran semasa dalam konduktor sentiasa dikaitkan dengan kehilangan tenaga, i.e. dengan peralihan tenaga dari elektrik ke terma. Peralihan ini tidak dapat dipulihkan, peralihan sebaliknya dikaitkan hanya dengan penyempurnaan kerja, seperti istilah termodinamik. Walau bagaimanapun, terdapat kemungkinan untuk menukar tenaga terma menjadi tenaga elektrik dan menggunakan apa yang dipanggil kesan termoelektrik, apabila dua kenalan dari dua konduktor digunakan, salah satunya dipanaskan dan yang lain disejukkan.

Malah, dan fakta ini mengejutkan, terdapat beberapa konduktor yang, di bawah keadaan tertentu, tidak ada kehilangan tenaga semasa arus arus! Dalam fizik klasik, kesan ini tidak dapat diterangkan.

Menurut teori elektronik klasik, gerakan pembawa caj berlaku di medan elektrik seragam dipercepatkan sehingga ia bertembung dengan kecacatan struktur atau dengan getaran kekisi. Selepas perlanggaran, jika tidak elok, seperti perlanggaran dua bola plastik, elektron kehilangan tenaga, memindahkannya ke kisi atom logam. Dalam hal ini, pada dasarnya, tidak ada superkonduktivitas.

Ternyata superconductivity muncul hanya apabila kesan kuantum diambil kira. Sukar untuk membayangkannya. Beberapa idea lemah mekanisme superkonduktiviti boleh diperolehi dari pertimbangan berikut.

Ternyata, jika elektron itu dapat memusingkan atom kisi yang paling dekat dengannya, iaitu. tarik sedikit ke arah anda kerana tindakan kuasa Coulomb, maka atom kisi ini sedikit akan mengalihkan elektron seterusnya. Ikatan sepasang elektron terbentuk, kerana ia.

Apabila elektron bergerak, komponen kedua pasangan, seolah-olah, merasakan tenaga yang elektron beralih ke atom kisi. Ternyata jika kita mengambil kira tenaga sepasang elektron, maka ia tidak berubah semasa perlanggaran, iaitu. kehilangan tenaga elektron tidak berlaku! Pasangan elektron tersebut dipanggil pasangan Cooper.

Secara umum, sukar untuk difahami untuk orang yang mempunyai idea fizikal yang mantap. Lebih mudah bagi anda untuk memahami, sekurang-kurangnya anda boleh mengambil begitu sahaja.

Superconductivityjuga kecekapandidapati dalam eksperimen pada suhu ultra rendah, berhampiran suhu sifar mutlak. Semasa anda mendekati sifar mutlak, getaran kisi membekukan. Rintangan kepada arus arus berkurangan bahkan mengikut teori klasik, tetapi kepada sifar pada suhu kritis tertentu T_dengan, ia berkurangan hanya mengikut undang-undang kuantum.

Superconductivity ditemui oleh dua fenomena: pertama, pada fakta kehilangan rintangan elektrik, dan kedua, pada diamagnetisme. Fenomena pertama adalah jelas - jika anda lulus arus tertentu Saya melalui konduktor, kemudian dengan penurunan voltan U pada konduktor anda boleh menentukan rintangan R = U / I. Kehilangan ketegangan bermakna kehilangan rintangan seperti itu.

Fenomena kedua memerlukan pertimbangan yang lebih terperinci. Secara logik, kekurangan rintangan adalah sama dengan sifat diamagnetic mutlak bahan. Sesungguhnya, bayangkan sedikit pengalaman. Kami akan memperkenalkan bahan superconducting ke kawasan medan magnet. Menurut undang-undang Joule-Lenz, arus mesti berlaku dalam konduktor yang benar-benar mengkompensasi perubahan fluks magnet, i.e. fluks magnet melalui superkonduktor adalah kedua-dua sifar dan kekal sifar. Dalam konduktor konvensional, ini mereput semasa, kerana konduktor mempunyai rintangan. Hanya selepas itu medan magnet menembusi konduktor. Dalam superkonduktor, ia tidak pudar.Ini bermakna arus mengalir membawa kepada kompensasi penuh medan magnet di dalam dirinya sendiri, iaitu bidang tidak menembusnya. Dari segi formal, medan sifar bermakna kebolehtelapan magnet bahan adalah sifar, m = 0 i.e. Tubuh itu menunjukkan dirinya sebagai diamagnet mutlak.

Walau bagaimanapun, fenomena ini hanya ciri untuk medan magnet yang lemah. Ternyata medan magnet yang kuat dapat menembus bahan, apalagi ia memusnahkan superkonduktivitas itu sendiri! Memperkenalkan konsep bidang kritikal B_denganyang memusnahkan superkonduktor. Ia bergantung kepada suhu: maksimum pada suhu dekat dengan sifar, hilang apabila peralihan kepada suhu kritikal T_dengan. Mengapa penting bagi kita untuk mengetahui ketegangan (atau induksi) di mana superkonduktiviti hilang? Hakikatnya ialah apabila arus mengalir melalui superkonduktor, medan magnet dibuat secara fizikal di sekitar konduktor, yang harus bertindak pada konduktor.

Sebagai contoh, bagi konduktor silinder radius r diletakkan dalam medium dengan kebolehtelapan magnetik m, induksi magnet pada permukaan yang sesuai dengan undang-undang Bio-Savard-Laplace akan

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Semakin besar arus, semakin besar medan. Oleh itu, dengan beberapa induksi (atau ketegangan), superkonduktiviti hilang, dan oleh itu, hanya arus kurang daripada yang menghasilkan induksi kritikal boleh dilalui melalui konduktor.

Oleh itu, untuk bahan superconducting, kita mempunyai dua parameter: induksi medan magnet kritikal B_dengan dan suhu kritikal T_dengan.  

Untuk logam, suhu kritikal adalah dekat dengan suhu sifar mutlak. Inilah kawasan yang dipanggil Suhu "Helium", setanding dengan titik didih helium (4.2 K). Mengenai induksi kritikal, kita boleh mengatakan bahawa ia agak kecil. Ia boleh dibandingkan dengan induksi dalam transformer (1-1.5 T). Atau contohnya dengan induksi berhampiran dawai. Sebagai contoh, kita mengira induksi di udara berhampiran dawai dengan jejari 1 cm dengan arus 100 A.

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

Penggantian ke dalam ungkapan (1) kita memperoleh B = 2 mT, iaitu nilai yang kira-kira bersamaan dengan kritikal. Ini bermakna jika konduktor seperti itu dimasukkan ke dalam garisan kuasa, contohnya 6 kV, maka kuasa maksimum yang boleh dihantar melalui setiap fasa adalah P_m = U_f· Saya = 600 kW. Contoh yang dipertimbangkan menunjukkan bahawa medan magnet intrinsik menghadkan keupayaan untuk memindahkan kuasa melalui wayar kriogenik. Selain itu, semakin hampir suhu ke suhu kritikal, semakin rendah nilai induksi kritikal.

Superkonduktor suhu rendah

Di atas, saya telah memberi tumpuan kepada beberapa bahan superconducting tertentu. Pada prinsipnya, sifat superkonduktivitas adalah ciri hampir semua bahan. Hanya untuk konduktif yang paling elektrik - tembaga, perak (paradoks?) Superkonduktiviti tidak dikesan. Penggunaan khusus superkonduktiviti dalam sektor tenaga adalah menggoda: mempunyai talian kuasa tanpa kehilangan akan menjadi indah. Permohonan lain adalah penjana dengan lilitan superconducting. Sampel penjana sedemikian telah dibangunkan di St Petersburg, dan ujian yang berjaya dijalankan. Pilihan ketiga adalah elektromagnet, induksi yang dapat dikontrol secara terkendali bergantung pada kekuatan saat ini.

Satu lagi contoh ialah storan induktifonduktor induksi. Bayangkan gegelung besar konduktor superconducting. Jika anda menyuntik arus ke dalamnya dalam beberapa cara dan menutup wayar input dan output, maka arus dalam gegelung akan mengalir selama-lamanya. Selaras dengan undang-undang yang terkenal, tenaga akan dimasukkan ke dalam gegelung

W = l× Saya²/2

di mana L- gegelung gegelung. Hypothetically, seseorang boleh membayangkan bahawa pada satu ketika pada masa itu terdapat tenaga yang berlebihan dalam sistem tenaga, tenaga diambil dari itu ke dalam peranti penyimpanan sedemikian. Di sini ia disimpan selagi perlu sehingga keperluan tenaga. Kemudian ia secara beransur-ansur, dikendalikan semula ke dalam sistem kuasa.

Dalam fizik dan teknologi superkonduktiviti, terdapat juga analog semasa rendah unsur-unsur radio elektronik konvensional. Contohnya, dalam sistem "superkonduktor - lapisan nipis logam rintangan (atau dielektrik) - superkonduktor" beberapa kesan fizikal baru yang mungkin telah digunakan dalam elektronik. Inilah kuantisasi fluks magnet dalam gelang yang mengandungi unsur sedemikian, kemungkinan perubahan mendadak dalam arus bergantung pada voltan apabila sinaran lemah diterapkan pada sistem, dan sumber voltan standard dibina berdasarkan prinsip ini dengan ketepatan 10^-10 B. Di samping itu, terdapat elemen penyimpanan, penukar analog-ke-digital, dsb. Terdapat beberapa reka bentuk komputer superkonduktor.

Mendesak masalah microminiaturization menggunakan semikonduktor adalah bahawa walaupun pelepasan tenaga kecil dalam jumlah yang sangat kecil dapat menyebabkan terlalu panas yang ketara dan masalah pelesapan panas adalah akut.

Masalah ini amat relevan untuk superkomputer. Ternyata bahawa mikrochips fluks haba tempatan dapat mencapai kilowatt per sentimeter persegi. Ia tidak mungkin untuk mengeluarkan haba dengan cara yang biasa, dengan meniup udara. Mereka mencadangkan untuk mengeluarkan kes mikrosirkuit dan meniup terus microcrystal itu. Di sini masalah pemindahan haba yang buruk ke udara timbul. Langkah seterusnya ialah mengisi segalanya dengan cecair dan keluarkan haba dengan mendidih cecair pada unsur-unsur ini. Cecair itu harus sangat bersih, tidak mengandungi mikropartikel, tidak membasuh mana-mana unsur-unsur komputer. Setakat ini, isu-isu ini belum diselesaikan sepenuhnya. Penyelidikan dijalankan dengan cecair organofluorin.

Dalam komputer superkonduktor, tidak ada masalah seperti itu, kerana tiada kerugian. Walau bagaimanapun, penyejukan peralatan untuk suhu kriogenik memerlukan banyak kos. Selain itu, semakin dekat dengan sifar mutlak - lebih besar kosnya. Selain itu, pergantungan adalah tidak linear, bahkan lebih kuat daripada kebergantungan yang berkadar proporsional.

Skala suhu di kawasan kriogenik secara konvensional dibahagikan kepada beberapa kawasan mengikut titik didih gas cecair: helium (di bawah 4.2 K), hidrogen 20.5 K, nitrogen 77 K, oksigen 90 K, ammonia (-33 °C) Jika kita dapat mencari bahan dengan titik mendidih berhampiran atau di atas hidrogen, kos penyelenggaraan kabel dalam keadaan kerja akan sepuluh kali kurang daripada suhu helium. Apabila peralihan ke suhu nitrogen, akan ada keuntungan dengan beberapa pesanan magnitud. Oleh itu, bahan superconducting yang beroperasi di suhu helium, walaupun mereka telah ditemui lebih daripada 80 tahun yang lalu, masih belum menemui aplikasi dalam sektor tenaga.

Ia mungkin diperhatikan bahawa percubaan selanjutnya untuk membangunkan peranti cryogenic operasi dibuat selepas setiap kejayaan dalam teknologi. Kemajuan dalam teknologi telah menyebabkan aloi yang mempunyai ciri induksi kritikal dan suhu kritikal yang terbaik.

Jadi pada awal tahun 70-an terdapat perkembangan dalam kajian niobium stannide Nb₃Sn. Dia mempunyai B_dengan = 22 T, dan T_dengan= 18 K. Walau bagaimanapun, dalam superkonduktor ini, berbeza dengan logam, kesan superkonduktiviti lebih rumit. Ternyata mereka mempunyai dua nilai ketegangan kritis B_c0 dan B_s1.  

Dalam jurang antara mereka, bahan tidak mempunyai rintangan terhadap arus terus, tetapi mempunyai rintangan terhingga untuk arus bolak. Dan walaupun In_c0 cukup besar, tetapi nilai induksi kritikal kedua B_s1 berbeza sedikit daripada nilai yang sama untuk logam. "Mudah" superkonduktor dipanggil superconductors jenis pertama, dan superkonduktor "kompleks" yang kedua.

Sebatian intermetallic baru tidak mempunyai kemuluran logam, jadi persoalan itu secara serentak diselesaikan bagaimana membuat unsur lanjutan seperti wayar dari bahan rapuh.Beberapa pilihan telah dibangunkan, termasuk penciptaan komposit seperti kek lapisan dengan logam plastik, seperti tembaga, pemendapan intermetals pada substrat tembaga, dan lain-lain, yang berguna dalam pembangunan seramik superkonduktor.

Keramik superkonduktor

Langkah radikal seterusnya dalam kajian superkonduktiviti adalah percubaan untuk mencari superkonduktiviti dalam sistem oksida. Idea samar bagi pemaju adalah bahawa dalam sistem yang mengandungi bahan-bahan dengan sifat superkonduktiviti valensi yang mungkin, dan pada suhu yang lebih tinggi. Sistem perduaan, iaitu. yang terdiri daripada dua oksida yang berbeza. Ia tidak mungkin untuk mencari superkonduktiviti. Dan hanya dalam sistem triple Bao-la₂O₃-CuO pada tahun 1986, superkonduktiviti dikesan pada suhu 30-35 K. Untuk kerja ini, Bednorts dan Muller menerima Hadiah Nobel dalam yang berikut, (!!) 1987

Kajian intensif terhadap sebatian yang berkaitan pada tahun ini membawa kepada penemuan superkonduktivitas dalam sistem Bao-y₂O₃-CuO pada suhu 90 K. Malah, superkonduktiviti diperolehi dalam sistem yang lebih kompleks, formula yang boleh diwakili sebagai Yba₂Cu₃O_7-d. Nilai d untuk bahan superconducting suhu tertinggi adalah 0.2. Ini bermakna bukan sahaja peratusan tertentu oksida bermula, tetapi juga kandungan oksigen yang dikurangkan.

Malah, jika anda mengira dengan valensi, maka yttrium - 3, barium - dua, tembaga 1 atau 2. Kemudian logam mempunyai jumlah valensi sebanyak 10 atau 13, dan oksigen mempunyai sedikit kurang dari 14. Oleh itu, dalam seramik ini terdapat lebih banyak oksigen berbanding dengan stoikiometri korelasi.

Seramik dihasilkan menggunakan teknologi seramik konvensional. Bagaimana untuk membuat wayar dari bahan rapuh? Satu cara, penggantungan serbuk dibuat dalam pelarut yang sesuai, maka larutan dipaksa melalui die, kering dan luka ke drum. Penyingkiran akhir ligamen yang dilakukan dengan pembakaran, wayar siap. Sifat-sifat gentian tersebut: suhu kritikal 90-82 K, pada 100 K r= 12 mOhm · cm, (kira-kira seperti grafit), ketumpatan semasa kritikal 4000 A / m².

Marilah kita berdiam pada angka terakhir. Nilai ini sangat rendah untuk digunakan dalam sektor tenaga. Membandingkan dengan ketumpatan arus ekonomi (~1 A / mm²), dilihat bahawa dalam keramik ketumpatan semasa adalah 250 kali lebih rendah. Para saintis menyiasat isu ini dan sampai pada kesimpulan bahawa hubungan yang tidak superconducting adalah untuk disalahkan. Sesungguhnya, kristal tunggal telah memperoleh kepadatan semasa yang mencapai ketumpatan arus ekonomi. Dan dalam tempoh dua atau tiga tahun terakhir, wayar seramik telah diperolehi yang ketumpatan arus melebihi ketumpatan arus ekonomi.

Pada tahun 1999, sebuah kabel superconducting yang menghubungkan dua stesen metro telah ditugaskan di Jepun. Kabel dibuat menggunakan teknologi "sandwic", iaitu. Keramik rapuh di dalamnya terletak di antara dua lapisan tembaga elastik dan mulur. Penebat dan, pada masa yang sama, penyejuk adalah nitrogen cecair.

Apa yang anda fikir adalah salah satu masalah utama dengan kabel ini? Anda boleh meneka isu-isu ini sebelum ini dibincangkan berhubung dengan pengasingan. Ternyata kehilangan dielektrik dalam dielektrik yang indah seperti nitrogen cair memanaskannya, yang memerlukan penjagaan yang berterusan untuk penyejukan tambahan.

Tetapi sayajangan berputus asa, dan menurut agensi berita di Jepun, TEPCO bercadang untuk mewujudkan rangkaian superconducting pertama untuk menyampaikan bekalan elektrik ke bangunan kediaman. Pada peringkat pertama, kira-kira 300 kilometer kabel tersebut akan diletakkan di Yokohama, yang meliputi kira-kira setengah juta bangunan!