În viitorul apropiat, toate cablurile de alimentare vor fi realizate din materiale supraconductoare

Principiul superconductivității. Efect de câmp magnetic

Fluxul de curent în conductoare este întotdeauna asociat cu pierderi de energie, adică. odată cu trecerea energiei de la electric la termic. Această tranziție este ireversibilă, tranziția inversă este asociată doar cu finalizarea lucrărilor, deoarece termodinamica vorbește despre acest lucru. Există, totuși, posibilitatea transformării energiei termice în energie electrică și folosirea așa-numitelor efect termoelectric, când se folosesc două contacte a doi conductori, dintre care unul este încălzit, iar celălalt este răcit.

De fapt, și acest fapt este surprinzător, există o serie de conductori în care, în anumite condiții, nu există pierderi de energie în timpul fluxului de curent! În fizica clasică, acest efect este inexplicabil.

Conform teoriei electronice clasice, mișcarea unui purtător de încărcare are loc într-un câmp electric accelerat uniform până când se ciocnește cu un defect structural sau cu o vibrație de zăbrele. După o coliziune, dacă este inelastică, ca o coliziune a două bile de plastilină, un electron pierde energie, transferându-l într-o grilă de atomi de metal. În acest caz, în principiu, nu poate exista o supraconductivitate.

Se dovedește că superconductivitatea apare numai atunci când sunt luate în considerare efectele cuantice. Este greu de imaginat. Unele idee slabe ale mecanismului de superconductivitate pot fi obținute din considerentele următoare.

S-a dovedit, având în vedere că electronul poate polariza atomul rețelei cel mai aproape de acesta, adică. trageți ușor spre tine, datorită acțiunii forței Coulomb, atunci acest atom de zăbrele va schimba ușor următorul electron. O legătură a unei perechi de electroni este formată, așa cum a fost.

Când electronul se mișcă, cea de-a doua componentă a perechii, așa cum a fost, percepe energia pe care electronul o transferă în atomul zăbrelei. Se dovedește că dacă luăm în considerare energia unei perechi de electroni, atunci nu se schimbă în timpul unei coliziuni, adică. pierderea de energie a electronilor nu are loc! Astfel de perechi de electroni se numesc perechi Cooper.

În general, este dificil de înțeles pentru o persoană cu idei fizice consacrate. Vă este mai ușor să înțelegeți, cel puțin o puteți lua de la sine.

supraconductibilitatede asemenea belșugau fost găsite în experimente la temperaturi ultra-scăzute, aproape de zero zero absolute. Pe măsură ce vă apropiați de zero absolut, vibrațiile de grilă îngheață. Rezistența la curgerea curentului scade chiar în conformitate cu teoria clasică, dar la zero la o anumită temperatură critică T_cu, aceasta scade numai în conformitate cu legile cuantice.

Superconductivitatea a fost descoperită prin două fenomene: în primul rând, despre dispariția rezistenței electrice și, în al doilea rând, prin diamagnetism. Primul fenomen este clar - dacă treceți un anumit curent eu prin conductor, apoi prin căderea de tensiune U pe conductor puteți determina rezistența R = U / I. Dispariția tensiunii înseamnă dispariția rezistenței ca atare.

Al doilea fenomen necesită o analiză mai detaliată. În mod logic, lipsa de rezistență este identică cu natura diamagnetică absolută a materialului. Într-adevăr, imaginați-vă o mică experiență. Vom introduce materialul supraconductor în regiunea câmpului magnetic. Conform legii Joule-Lenz, un conductor trebuie să apară în conductor care compensează complet modificarea fluxului magnetic, adică. fluxul magnetic prin superconductor a fost atât zero cât și rămâne zero. Într-un conductor convențional acest curent se descompune, deoarece conductorul are o rezistență. Doar atunci un câmp magnetic pătrunde în conductor. Într-un superconductor, nu se estompează.Aceasta înseamnă că curentul care curge duce la o compensare completă a câmpului magnetic din interiorul său, adică. câmpul nu pătrunde în el. Din punct de vedere formal, un câmp zero înseamnă că permeabilitatea magnetică a materialului este zero, m = 0 adică. corpul se manifestă ca un diamagnet absolut.

Cu toate acestea, aceste fenomene sunt caracteristice numai pentru câmpurile magnetice slabe. Se dovedește că un câmp magnetic puternic poate pătrunde în material, în plus, ea distruge superconductivitatea în sine! Introduceți conceptul de câmp critic B_cucare distruge un superconductor. Depinde de temperatură: maxim la o temperatură apropiată de zero, dispare la trecerea la o temperatură critică T_cu. De ce este important pentru noi să cunoaștem tensiunea (sau inducția) la care dispare superconductivitatea? Cert este că atunci când un curent circulă printr-un superconductor, în jurul conductorului se creează fizic un câmp magnetic, care ar trebui să acționeze asupra conductorului.

De exemplu, pentru un conductor cilindric de rază r plasat într-un mediu cu permeabilitate magnetică m, inducția magnetică la suprafață în conformitate cu legea Bio-Savard-Laplace va fi

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Cu cât este mai mare curentul, cu atât câmpul este mai mare. Astfel, cu o anumită inducție (sau tensiune), superconductivitatea dispare și, prin urmare, doar un curent mai mic decât cel care creează inducție critică poate fi trecut printr-un conductor.

Astfel, pentru un material supraconductor, avem doi parametri: inducția critică a câmpului magnetic B_cu și temperatura critică T_cu.  

Pentru metale, temperaturile critice sunt aproape de zero zero absolute. Aceasta este zona așa-numitelor Temperaturile „Helium”, comparabile cu punctul de fierbere al heliului (4,2 K). În ceea ce privește inducția critică, putem spune că este relativ mică. Poate fi comparat cu inducția în transformatoare (1-1,5 T). Sau, de exemplu, cu inducție lângă sârmă. De exemplu, calculăm inducția în aer lângă un fir cu o rază de 1 cm cu un curent de 100 A.

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

Substituind expresia (1) obținem B = 2 mT, adică o valoare care corespunde aproximativ criticii. Aceasta înseamnă că dacă un astfel de conductor este pus într-o linie de alimentare, de exemplu, 6 kV, atunci puterea maximă care poate fi transmisă prin fiecare fază va fi P_m = U_f· Eu = 600 kW. Exemplul considerat arată că câmpul magnetic intrinsec limitează capacitatea de a transfera puterea printr-un fir criogenic. Mai mult, cu cât temperatura este mai aproape de temperatura critică, cu atât valoarea inducției critice este mai mică.

Superconductori la temperatură scăzută

Mai sus, m-am concentrat deja pe unele materiale supraconductoare specifice. În principiu, proprietatea superconductivității este caracteristică aproape tuturor materialelor. Doar pentru cei mai conductivi electric - cupru, argint (paradox?) Supraconductivitatea nu este detectată. Aplicarea specifică a superconductivității în sectorul energetic este tentantă: a avea linii electrice fără pierderi ar fi minunat. O altă aplicație este un generator cu înfășurări supraconductoare. Un eșantion de astfel de generator a fost dezvoltat la Sankt Petersburg și au fost efectuate teste de succes. A treia opțiune este un electromagnet, a cărui inducție poate fi controlată într-un mod controlat, în funcție de puterea curentă.

Un alt exemplu este stocarea inductivă superconductoră. Imaginează-ți o bobină imensă de conductor supraconductor. Dacă injectați curent într-un fel și închideți firele de intrare și ieșire, atunci curentul în bobină va curge la nesfârșit. În conformitate cu o lege binecunoscută, energia va fi închisă într-o bobină

W = l× eu²/2

unde L- inductanța bobinei. Ipotetic, ne putem imagina că la un moment dat există exces de energie în sistemul energetic, energia este preluată din ea într-un astfel de dispozitiv de stocare. Aici este păstrat atât timp cât este necesar, până la necesitatea de energie. Apoi este treptat, controlat în mod regulat în sistemul de alimentare.

În fizică și tehnologia superconductivității, există, de asemenea, analogi cu curent scăzut al elementelor radio ale electronicelor convenționale. De exemplu, în sistemele „superconductor - un strat subțire de metal rezistiv (sau dielectric) - superconductor” sunt posibile o serie de efecte fizice noi care sunt deja utilizate în electronică. Aceasta este cuantizarea fluxului magnetic într-un inel care conține un astfel de element, posibilitatea unei schimbări bruște a curentului în funcție de tensiune atunci când este aplicată o radiație slabă la sistem și a surselor standard de tensiune construite pe acest principiu cu o precizie de 10^-10 B. În plus, există elemente de stocare, convertoare analog-digitale, etc. Există chiar și câteva modele de computere superconductoare.

Urgența problemei microminiaturizării folosind semiconductori este aceea că chiar și o mică eliberare de energie într-un volum foarte mic poate duce la supraîncălzire semnificativă, iar problema disipării căldurii este acută.

Această problemă este relevantă în special pentru supercomputere. Se dovedește că fluxurile locale de căldură microchips pot atinge kilowati pe centimetru pătrat. Nu este posibilă îndepărtarea căldurii în modul obișnuit, prin suflarea aerului. Ei au sugerat să îndepărtați cazul microcircuitelor și să suflați direct microcristalul. Aici a apărut problema transferului de căldură slab în aer. Următorul pas a fost să umpleți totul cu lichid și să îndepărtați căldura fierbând lichidul pe aceste elemente. Lichidul trebuie să fie foarte curat, nu trebuie să conțină microparticule și să nu spele niciunul dintre numeroasele elemente ale computerului. Până în prezent, aceste probleme nu au fost rezolvate pe deplin. Cercetările sunt efectuate cu lichide organofluorine.

În computerele supraconductoare, nu există astfel de probleme, deoarece nici o pierdere. Cu toate acestea, răcirea echipamentului la temperaturi criogenice necesită multe costuri. În plus, cu cât este mai aproape de zero absolut - cu atât costul este mai mare. Mai mult, dependența este neliniară, este chiar mai puternică decât dependența invers proporțională.

Scala de temperatură în regiunea criogenă este împărțită în mod convențional în mai multe zone în funcție de punctele de fierbere ale gazelor lichefiate: heliu (sub 4,2 K), hidrogen 20,5 K, azot 77 K, oxigen 90 K, amoniac (-33 °C). Dacă am putea găsi un material cu un punct de fierbere aproape sau deasupra hidrogenului, costul menținerii cablului în stare de funcționare ar fi de zece ori mai mic decât în ​​cazul temperaturilor de heliu. La trecerea la temperaturi de azot, ar exista un câștig de mai multe ordine de mărime. Prin urmare, materialele supraconductoare care operează la temperaturi de heliu, deși au fost descoperite în urmă cu mai bine de 80 de ani, încă nu au găsit aplicații în sectorul energetic.

Se poate remarca faptul că încercările ulterioare de a dezvolta un dispozitiv criogenic de funcționare sunt făcute după fiecare dintre progresele tehnologiei. Progresele tehnologice au dus la aliaje care au cele mai bune caracteristici de inducție și temperatură critice.

Deci, la începutul anilor 70, a existat un boom în studiul niobiumului stannidic Nb₃Sn. El are B_cu = 22 T și T_cu= 18 K. Cu toate acestea, în acești supraconductori, spre deosebire de metale, efectul supraconductivității este mai complicat. Se dovedește că acestea au două valori ale tensiunii critice B_c0 și B_c1.  

În decalajul dintre ele, materialul nu are rezistență la curent continuu, dar are o rezistență finită la curent alternativ. Și deși În_c0 suficient de mare, dar valorile celei de-a doua inducții critice B_c1 diferă puțin de valorile corespunzătoare pentru metale. Superconductorii „simpli” sunt numiți supraconductori de primul fel, iar „complexi” - superconductori de cel de-al doilea fel.

Compușii intermetalici noi nu au ductilitatea metalelor, așa că s-a rezolvat simultan întrebarea cum se realizează elemente extinse, cum ar fi firele din materiale fragile.Au fost dezvoltate mai multe opțiuni, inclusiv crearea de compozite, cum ar fi un tort cu straturi cu metale din plastic, cum ar fi cuprul, depunerea de intermetale pe un substrat de cupru etc., care a fost utilă în dezvoltarea ceramicii supraconductoare.

Ceramica superconductoare

Următorul pas radical în studiul superconductivității a fost încercarea de a găsi superconductivitatea în sistemele de oxid. Ideea vagă a dezvoltatorilor a fost că în sistemele care conțin substanțe cu valență variabilă este posibilă supraconductivitatea și la temperaturi mai ridicate. Sisteme binare, adică format din doi oxizi diferiți. Nu a fost posibil să se găsească superconductivitate. Și numai în sistemele triple BaO-La₂O₃-CuO în 1986, superconductivitatea a fost detectată la o temperatură de 30-35 K. Pentru această lucrare, Bednorts și Muller au primit premiul Nobel în următoarele, (!!) 1987

Studii intense ale compușilor înrudiți în cursul anului au dus la descoperirea superconductivității în sistem BaO-Y₂O₃-CuO la o temperatură de 90 K. De fapt, superconductivitatea este obținută într-un sistem și mai complex, a cărui formulă poate fi reprezentată ca YBA₂cu₃O_7-d. valoare d pentru materialul supraconductor la cea mai înaltă temperatură este 0,2. Aceasta înseamnă nu numai un anumit procent din oxizii de pornire, ci și un conținut redus de oxigen.

Într-adevăr, dacă calculați după valență, atunci itriul - 3, bariul - doi, cupru 1 sau 2. Atunci metalele au o valență totală de 10 sau 13, iar oxigenul - puțin mai puțin de 14. Prin urmare, în această ceramică există un exces de oxigen în raport cu stoichiometricul. raportul.

Ceramica este produsă folosind tehnologia ceramică convențională. Cum să faci fire dintr-o substanță fragilă? Într-un fel, o suspensie a pulberii se face într-un solvent adecvat, apoi soluția este forțată printr-o matriță, uscată și înfășurată pe un tambur. Îndepărtarea finală a ligamentului se realizează prin ardere, firul este gata. Proprietățile unor astfel de fibre: temperaturi critice 90-82 K, la 100 K r= 12 mOhm · cm, (aproximativ ca grafit), densitate de curent critic 4000 A / m².

Să rămânem pe ultima cifră. Această valoare este extrem de scăzută pentru utilizarea în sectorul energetic. Comparativ cu densitatea curentului economic (~1 A / mm²), se vede că în ceramică densitatea curentului este de 250 de ori mai mică. Oamenii de știință au investigat această problemă și au ajuns la concluzia că contactele care nu sunt supraconductoare sunt de vină. Într-adevăr, cristalele unice au obținut densități de curent care ating densitatea curentului economic. Și în ultimii doi sau trei ani, s-au obținut fire ceramice a căror densitate depășește densitatea curentului economic.

În 1999, în Japonia a fost comandat un cablu supraconductor care conectează două stații de metrou. Cablul este realizat folosind tehnologia „sandwich”, adică. ceramica fragilă din ea este situată între două straturi de cupru elastic și ductil. Izolația și, în același timp, agentul frigorific este azot lichid.

Care crezi că este una dintre problemele principale ale acestui cablu? Puteți ghici că aceste probleme au fost discutate anterior în legătură cu izolarea. Se dovedește că pierderea dielectrică într-un dielectric atât de minunat ca azotul lichid o încălzește, ceea ce necesită o îngrijire constantă pentru răcirea suplimentară.

Dar eunu renunțați și, potrivit agențiilor de știri din Japonia, TEPCO intenționează să creeze primele rețele superconductoare pentru livrarea energiei electrice către clădirile rezidențiale. În prima etapă, aproximativ 300 de kilometri de astfel de cabluri vor fi amplasate în Yokohama, care vor acoperi aproximativ jumătate de milion de clădiri!