У блиској будућности сви каблови за напајање биће направљени од суправодљивих материјала

Принцип суперпроводљивости. Ефекат магнетног поља

Проток струје у проводницима увек је повезан са губицима енергије, тј. са преласком енергије из електричне у термичку. Овај прелаз је неповратан, обрнути прелаз је повезан само са завршетком рада, јер термодинамика говори о томе. Постоји, међутим, могућност претварања топлотне енергије у електричну енергију и кориштењем тзв термоелектрични ефекат, када се користе два контакта два проводника, од којих се један загрева, а други хлади.

У ствари, и та чињеница је изненађујућа, постоји велики број проводника у којима, под одређеним условима, нема губитка енергије током протока струје! У класичној физици је овај ефекат необјашњив.

Према класичној електронској теорији, кретање носача наелектрисања догађа се у електричном пољу једнолико убрзаном све док се не судари са структуралним оштећењем или са вибрацијом решетке. Након судара, ако је нееластичан, попут судара две пластичне кугле, електрон губи енергију, преносећи га у решетку металних атома. У овом случају, у принципу, не може бити суправодљивости.

Испада да се суперпроводност појављује тек када се узму у обзир квантни ефекти. Тешко је то замислити Слаба идеја механизма суправодљивости може се добити из следећих разматрања.

Испада да, с обзиром на то да електрон може поларизирати атом решетке који му је најближи, тј. повуците га мало према себи због деловања Куломове силе, тада ће овај решеткасти атом мало померити следећи електрон. Настаје веза пара електрона, као да је.

Када се електрон креће, друга компонента пара, као да опажа енергију коју електрон преноси на атом решетке. Испада да ако узмемо у обзир енергију пара електрона, онда се она током судара не мења, тј. не долази до губитка енергије електрона! Такви електронски парови се називају Цоопер парови.

Уопште, тешко је разумети особу са устаљеним физичким идејама. Лакше вам је да схватите, бар можете то схватити здраво за готово.

Суперпроводносттакође сувишна течностпронађени су у експериментима на ултра-ниским температурама, близу апсолутне нулте температуре. Како се приближавате апсолутној нули, вибрације решетке се смрзавају. Отпор струји струје опада чак и према класичној теорији, али до нуле при одређеној критичној температури Т_са, смањује се само према квантним законима.

Суперпроводност су открила два феномена: прво, о чињеници нестанка електричног отпора, и друго, о дијамагнетизму. Први феномен је јасан - ако прођете одређену струју Ја кроз проводник, затим пад напона У на проводнику можете одредити отпор Р = У / И Нестанак напетости значи нестанак отпора као таквог.

Други феномен захтева детаљније разматрање. Логично, недостатак отпора је идентичан апсолутној дијамагнетној природи материјала. Заиста, замислите мало искуства. Увешћемо суперпроводни материјал у подручје магнетног поља. Према закону Јоуле-Ленз-а, у проводнику се мора појавити струја која у потпуности надокнађује промену магнетног флукса, тј. магнетни ток кроз суперпреводник био је и нула и остаје нула. У конвенционалном проводнику та струја пропада, јер проводник има отпор. Тек тада магнетно поље продире у проводник. У суперпреводнику не бледи.То значи да струја која тече води до потпуне компензације магнетног поља унутар себе, тј. поље не продире у њега. Са формалног становишта, нулто поље значи да је магнетна пропустљивост материјала једнака нули, м = 0 тј. тело се манифестује као апсолутна диамагнета.

Међутим, ове појаве су карактеристичне само за слаба магнетна поља. Испоставило се да снажно магнетно поље може да продре у материјал, штавише, уништава и саму суправодљивост! Увести концепт критичног поља Б_сашто уништава суперпроводник. Зависи од температуре: максимална на температури блиској нули, нестаје након преласка на критичну температуру Т_са. Зашто је важно да знамо напетост (или индукцију) при којој нестаје суправодљивост? Чињеница је да када струја тече кроз суправодични проводник, око проводника се физички ствара магнетно поље које би требало да делује на проводник.

На пример, за цилиндрични проводник полупречника р смештен у медијуму са магнетном пропустљивошћу м, биће магнетна индукција на површини у складу са законом Био-Савард-Лаплаце

Б = м₀× м ×И / 2пр (1)

Што је већа струја, веће је и поље. Тако, са неком индукцијом (или напетошћу), суправодљивост нестаје, и због тога кроз проводник може проћи само струја мања од оне која ствара критичну индукцију.

Дакле, за суправодљиви материјал имамо два параметра: индукцију критичног магнетног поља Б_са и критична температура Т_са.  

За метале су критичне температуре близу апсолутне нулте температуре. То је подручје тзв Температуре „хелијума“, упоредиве са тачком кључања хелијума (4.2 К). Што се тиче критичне индукције, можемо рећи да је она релативно мала. Може се упоредити са индукцијом у трансформаторима (1-1,5 Т). Или на пример са индукцијом близу жице. На пример, израчунавамо индукцију у ваздуху у близини жице радијуса од 1 цм са струјом од 100 А.

м₀ = 4п 10^-7 ГН / м
м = 1, И = 100 А,
р = 10^-2м

Супституирајући се изразом (1), добијамо Б = 2 мТ, тј. Вредност која приближно одговара критичној. То значи да ако се такав проводник стави у далековод, на пример 6 кВ, тада ће максимална снага која се може пренијети кроз сваку фазу бити П_м = У_ф· И = 600 кВ. Разматрани пример показује да својствено магнетно поље ограничава способност преноса енергије преко криогене жице. Поред тога, што је температура ближа критичној, то је нижа вредност индукције критична.

Суперпроводници на ниским температурама

Горе сам се већ фокусирао на неке специфичне суправодљиве материјале. У принципу, својство суправодљивости је карактеристично за готово све материјале. Само за електрично проводљиву - бакар, сребро (парадокс?), Супководљивост се не детектује. Специфична примена суперпроводљивости у енергетском сектору је примамљива: било би предивно имати далеководе без губитака. Друга апликација је генератор са суправодљивим намотима. Узорак таквог генератора развијен је у Санкт Петербургу и обављена су успешна испитивања. Трећа опција је електромагнет чија се индукција може контролисати на контролисан начин у зависности од јачине струје.

Други пример је суправодљиво индуктивно складиштење. Замислите велику завојницу суправодњег проводника. Ако на неки начин убризгавате струју у њу и затворите улазне и излазне жице, тада ће струја у завојници тећи неограничено. У складу са добро познатим законом, енергија ће бити затворена у завојницу

В = л× Ја²/2

где Л- индуктивност завојнице Хипотетски се може замислити да у неком тренутку постоји вишак енергије у енергетском систему, а енергија се из њега одводи у такав уређај за складиштење. Овде се складишти онолико дуго колико је потребно док не дође до потребе за енергијом. Затим се постепено, контролирано пумпа назад у електроенергетски систем.

У физици и технологији суправодљивости, постоје и аналогни токови радио-елемената конвенционалне електронике са мало струје. На пример, у системима „суперпроводник - танки слој отпорничког метала (или диелектричног) - суперпреводник“ могући су бројни нови физички ефекти који се већ користе у електроници. Ово је квантизација магнетног тока у прстену који садржи такав елемент, могућност нагле промене струје у зависности од напона када је систем изложен слабом зрачењу, и стандардни извори напона изграђени на овом принципу са тачношћу од 10^-10 Б. Поред тога, постоје елементи за складиштење, аналогно-дигитални претварачи итд. Постоји чак неколико дизајна рачунара за суперпроводнике.

Хитност проблема микроминијаризације употребом полуводича је да чак и мало ослобађања енергије у веома малом волумену може довести до значајног прегревања и проблем одлагања топлоте је акутан.

Овај проблем је посебно релевантан за супер-рачунаре. Испада да микрочипови локалних топлотних токова могу достићи киловате по квадратном центиметру. Није могуће уклонити топлоту на уобичајен начин, пухањем ваздуха. Предложили су уклањање кућишта микроциркула и директно пухање микрокристала. Ту се појавио проблем слабог преноса топлоте у ваздух. Следећи корак је био да се све напуни течношћу и уклони топлота кључајући течност на тим елементима. Течност треба да буде веома чиста, да не садржи микрочестице, а не да испире било који од многих елемената рачунара. До сада та питања нису у потпуности ријешена. Истраживање се врши са течностима органофлуора.

У суперпреводним рачунарима нема таквих проблема, јер нема губитка. Међутим, хлађење опреме до криогених температура захтева много трошкова. Штавише, што је ближа апсолутној нули - већи су и трошкови. Штавише, зависност је нелинеарна, чак је јача и од обрнуто пропорционалне зависности.

Температурна скала у криогеном подручју конвенционално је подељена у неколико области према тачкама врелишта течног гаса: хелијум (испод 4,2 К), водоник 20,5 К, азот 77 К, кисеоник 90 К, амонијак (-33 °Ц) Ако је могуће пронаћи материјал са тачком кључања близу или изнад водоника, трошкови одржавања кабла у радном стању били би десет пута мањи него за хелијумске температуре. Преласком на температуре азота, дошло би до добитка за неколико реда величине. Због тога суперпреводни материјали који делују на хелијумским температурама, иако су откривени пре више од 80 година, још увек нису нашли примену у енергетском сектору.

Може се приметити да су накнадни покушаји да се развије криогени уређај који се оперише направљени након сваког од напретка у технологији. Напредак технологије довео је до легура које имају најбоље критичне карактеристике индукције и температуре.

Тако је у раним 70-има дошло до процвата у истраживању станнидног ниобија Нб₃Сн Има Б_са = 22 Т и Т_са= 18 К. Међутим, у овим суперпроводницима, за разлику од метала, ефекат суперпроводљивости је компликованији. Испада да имају две вредности критичне напетости Б_ц0 и Б_с1.  

У размаку између њих, материјал нема отпор једносмерној струји, али има ограничен отпор наизменичну струју. И мада Ин_ц0 довољно велике, али вредности друге критичне индукције Б_с1 мало се разликује од одговарајућих вредности за метале. "Једноставни" суправодичи се називају суперпроводници прве врсте, а "сложени" суправодичи друге врсте.

Нова интерметална једињења немају дуктилност метала, па је истовремено решено питање како да од крхких материјала направе проширене елементе попут жица.Развијено је неколико опција, укључујући стварање композита као што је слојни колач од пластичних метала, као што је бакар, таложење интерметала на бакарној подлози итд., Што је било корисно у развоју суперпреводне керамике.

Суперпроводна керамика

Следећи радикални корак у истраживању суправодљивости био је покушај проналажења суперпроводљивости у оксидним системима. Нејасна идеја програмера била је да је у системима који садрже супстанце са променљивом валентном суперпреводљивошћу могућа, и на вишим температурама. Бинарни системи, тј. који се састоји од два различита оксида. Није било могуће пронаћи суправодљивост. И то само у троструким системима Бао-ла₂О₃-ЦуО 1986. године откривена је суперпроводност на температури од 30-35 К. За ово дело Беднортс и Муллер добили су Нобелову награду за следеће, (!!) 1987

Интензивне студије сродних једињења током године довеле су до открића суперпроводљивости у систему Бао-и₂О₃-ЦуО при температури од 90 К. У ствари, суперпроводност се добија у још сложенијем систему, чија се формула може представити као Иба₂Цу₃О_7-д. Вредност д за материјале за суправодивање са највишом температуром је 0,2. То значи не само одређени проценат почетних оксида, већ и смањени садржај кисеоника.

Заиста, ако израчунате по валенцији, тада ће итријум - 3, баријум - два, бакар 1 или 2. Тада метали имају укупну валенцију 10 или 13, а кисеоника има нешто мање од 14. Према томе, у овој керамици постоји вишак кисеоника у односу на стехиометријски корелација.

Керамика се производи класичном керамичком технологијом. Како направити жице од крхке супстанце? Један начин, суспензија праха се направи у погодном растварачу, а затим се раствор провуче кроз матрицу, осуши и намоти на бубањ. Коначно уклањање лигамента врши се спаљивањем, жица је спремна. Својства таквих влакана: критичне температуре 90-82 К, на 100 К р= 12 мОхм · цм, (приближно као графит), критична густина струје 4000 А / м².

Зауставимо се на последњој цифри. Ова вредност је изузетно ниска за употребу у енергетском сектору. Упоређивање са економском густином струје (~1 А / мм²), види се да је код керамике густина струје 250 пута мања. Научници су истраживали ово питање и дошли до закључка да су криви контакти који нису суправодљиви. Заиста, монокристал је добио густоћу струје која достиже економску густину струје. У последње две или три године добијене су керамичке жице чија густина струје прелази економску густину струје.

1999. године у Јапану је пуштен у рад суперпроводни кабл који повезује две станице метроа. Кабл је направљен коришћењем технологије "сендвича", тј. крхка керамика у њој налази се између два слоја еластичног и дуктилног бакра. Изолација и истовремено расхладно средство је течни азот.

Шта је по вашем мишљењу један од главних проблема овог кабла? Можете претпоставити да су о овим питањима и раније разговарано у вези са изолацијом. Испоставило се да је губитак диелектрика у тако дивном диелектрику као што је течни азот, загрева, што захтева сталну бригу о додатном хлађењу.

Али јане одустају, а према јапанским новинским агенцијама, ТЕПЦО намерава да створи прве суперпроводне мреже за испоруку електричне енергије у стамбеним зградама. У првој фази биће положено око 300 километара таквих каблова у Јокохами, који ће обухватити око пола милиона зграда!