Inom en nära framtid kommer alla kablar att vara tillverkade av superledande material

Principen om superledande. Magnetfälteffekt

Strömflödet i ledare är alltid förknippat med energiförluster, d.v.s. med övergången av energi från elektrisk till termisk. Denna övergång är irreversibel, den omvända övergången förknippas endast med avslutandet av arbetet, eftersom termodynamik talar om detta. Det finns dock möjlighet att omvandla termisk energi till elektrisk energi och använda den så kallade termoelektrisk effekt, när två kontakter från två ledare används, varav en uppvärms och den andra kyls.

I själva verket, och detta faktum är överraskande, finns det ett antal ledare där det under vissa förhållanden inte finns någon energiförlust under strömflödet! I klassisk fysik är denna effekt oförklarlig.

Enligt den klassiska elektroniska teorin sker rörelsen hos en laddningsbärare i ett elektriskt fält som är enhetligt accelererat tills det kolliderar med en strukturell defekt eller med en gittervibration. Efter en kollision, om den är inelastisk, som en kollision av två plasticinbollar, förlorar en elektron energi och överför den till ett gitter av metallatomer. I det här fallet kan det inte vara supraledningsförmåga.

Det visar sig att supraledningsförmågan uppträder endast när kvanteffekter beaktas. Det är svårt att föreställa sig det. Någon svag idé om supraledningsmekanismen kan erhållas från följande överväganden.

Det visar sig, med tanke på att elektronen kan polarisera atomen i gitteret som är närmast den, d.v.s. dra den något mot dig på grund av Coulomb-kraften, då kommer denna gitteratom att förändra nästa elektron. En bindning av ett par elektroner bildas.

När elektronen rör sig, uppfattar parets andra komponent, som den var, energin som elektronen överför till gitteratomen. Det visar sig att om vi tar hänsyn till energin från ett par elektroner så förändras det inte under en kollision, d.v.s. elektron energiförlust inträffar inte! Sådana elektronpar kallas Cooper-par.

I allmänhet är det svårt att förstå för en person med etablerade fysiska idéer. Det är lättare för dig att förstå, åtminstone kan du ta det för givet.

supraledningockså suprafluiditethittades i experiment vid ultra-låga temperaturer, nära absoluta nolltemperaturer. När du närmar dig absolut noll fryser gittervibrationerna. Motståndet mot strömflödet minskar även enligt den klassiska teorin, men till noll vid en viss kritisk temperatur T_med, minskar den bara enligt kvantlagar.

Supraledningsförmåga upptäcktes av två fenomen: dels på det faktum att det elektriska motståndet försvann och för det andra på diamagnetism. Det första fenomenet är klart - om du passerar en viss ström jag genom ledaren, sedan med spänningsfallet U på ledaren kan du bestämma motståndet R = U / I Att spänningen försvinner betyder att motståndet försvinner.

Det andra fenomenet kräver mer detaljerad övervägning. Logiskt sett är bristen på motstånd identisk med materialets absoluta diamagnetiska natur. Föreställ dig verkligen en liten upplevelse. Vi kommer att introducera superledande material i magnetområdet. Enligt Joule-Lenz-lagen måste en ström uppträda i ledaren som helt kompenserar för förändringen i magnetflux, dvs magnetflödet genom superledaren var både noll och förblir noll. I en konventionell ledare sönder denna ström, eftersom ledaren har ett motstånd. Först då tränger ett magnetfält in i ledaren. I en superledare bleknar den inte.Detta innebär att den strömmande strömmen leder till en fullständig kompensation av magnetfältet i sig självt, dvs fältet tränger inte in i det. Från en formell synvinkel betyder ett nollfält att den magnetiska permeabiliteten för materialet är noll, m = 0 dvs kroppen manifesterar sig som en absolut diamagnet.

Dessa fenomen är emellertid endast karakteristiska för svaga magnetfält. Det visar sig att ett starkt magnetfält kan tränga in i materialet, dessutom förstör det superledningen själv! Presentera begreppet kritiskt fält B_medvilket förstör en superledare. Det beror på temperaturen: max vid en temperatur nära noll, försvinner vid övergång till en kritisk temperatur T_med. Varför är det viktigt för oss att känna till den spänning (eller induktion) vid vilken superledningsförmågan försvinner? Faktum är att när en ström flyter genom en supraledare skapas ett magnetfält fysiskt runt ledaren, som bör verka på ledaren.

Till exempel för en cylindrisk ledare med radie r placerad i ett medium med magnetisk permeabilitet m, magnetisk induktion på ytan i enlighet med lagen om Bio-Savard-Laplace kommer att vara

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Ju större ström, desto större fält. Således, med viss induktion (eller spänning), försvinner superledningsförmågan, och därför kan endast en ström som är mindre än den som skapar kritisk induktion passeras genom ledaren.

För ett superledande material har vi således två parametrar: kritisk magnetfältinduktion B_med och kritisk temperatur T_med.  

För metaller är kritiska temperaturer nära absoluta nolltemperaturer. Detta är området med så kallade ”Helium” -temperaturer, jämförbara med kokpunkten för helium (4,2 K). När det gäller kritisk induktion kan vi säga att den är relativt liten. Det kan jämföras med induktion i transformatorer (1-1,5 T). Eller till exempel med induktion nära tråden. Vi beräknar till exempel induktion i luft nära en tråd med en radie på 1 cm med en ström på 100 A.

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

Att ersätta uttryck (1) erhåller vi B = 2 mT, dvs ett värde ungefär motsvarande kritiskt. Detta innebär att om en sådan ledare placeras i en kraftledning, till exempel 6 kV, så kommer den maximala effekten som kan överföras genom varje fas att vara P_m = U_f· Jag = 600 kW. Exemplet som betraktas visar att det inneboende magnetfältet begränsar förmågan att överföra kraft genom en kryogen tråd. Dessutom, ju närmare temperaturen den kritiska temperaturen är, desto lägre är det kritiska induktionsvärdet.

Låg temperatur superledare

Ovan har jag redan fokuserat på vissa specifika superledande material. I princip är superledningsegenskapens egenskap för nästan alla material. Endast för den mest elektriskt ledande - koppar, silver (paradox?) Supraledning upptäcks inte. Den specifika tillämpningen av supraledningsförmåga i energisektorn är frestande: att ha förlustlösa kraftledningar skulle vara underbart. En annan applikation är en generator med superledande lindningar. Ett prov av en sådan generator utvecklades i St. Petersburg och framgångsrika tester genomfördes. Det tredje alternativet är en elektromagnet, vars induktion kan styras på ett kontrollerat sätt beroende på strömstyrkan.

Ett annat exempel är en superledande induktiv lagring. Föreställ dig en enorm spiral av supraledande ledare. Om du injicerar ström i det på något sätt och stänger ingångs- och utgångstrådarna, kommer strömmen i spolen att flyta på obestämd tid. I enlighet med en välkänd lag kommer energi att vara inneslutet i en spole

W = l× jag²/2

var L- spolinduktans. Hypotetiskt kan man föreställa sig att det vid någon tidpunkt finns överflödig energi i energisystemet, energi tas från det till en sådan lagringsenhet. Här lagras det så länge som det är nödvändigt tills behovet av energi. Sedan pumpas det gradvis, kontrollerbart tillbaka till kraftsystemet.

Inom fysiken och tekniken för supraledningsförmåga finns det också lågströmsanaloger av radioelementen i konventionell elektronik. Till exempel i systemen "superledare - ett tunt lager av resistiv metall (eller dielektrisk) - superledare" är ett antal nya fysiska effekter möjliga som redan används inom elektronik. Detta är kvantiseringen av magnetflödet i en ring som innehåller ett sådant element, möjligheten till en plötslig förändring i ström beroende på spänningen när systemet utsätts för svag strålning och standardspänningskällor byggda på denna princip med en noggrannhet på 10^-10 B. Dessutom finns det lagringselement, analoga till digitala omvandlare etc. Det finns till och med några superledar-datordesigner.

Problemet med mikrominiaturisering med halvledare är brådskande att till och med en liten energiutsläpp i en mycket liten volym kan leda till betydande överhettning och problemet med värmeavledning är akut.

Detta problem är särskilt relevant för superdatorer. Det visar sig att mikrochips lokala värmeflöden kan nå kilowatt per kvadratcentimeter. Det är inte möjligt att ta bort värme på vanligt sätt genom att blåsa luft. De föreslog att ta bort fallet med mikrokretsar och blåsa direkt mikrokristallen. Här uppstod problemet med dålig värmeöverföring till luften. Nästa steg var att fylla allt med vätska och ta bort värme genom att koka vätskan på dessa element. Vätskan ska vara mycket ren, inte innehålla mikropartiklar, inte tvätta bort några av datorns många element. Hittills har dessa frågor inte lösts helt. Forskning bedrivs med organofluorvätskor.

På superledande datorer finns det inga sådana problem, för ingen förlust. Att kyla utrustningen till kryogena temperaturer kräver emellertid mycket kostnader. Dessutom, ju närmare absolut noll - desto större blir kostnaden. Dessutom är beroendet olinjärt, det är ännu starkare än det omvänt proportionella beroendet.

Temperaturskalan i den kryogena regionen är konventionellt uppdelad i flera områden beroende på kokpunkterna för kondenserade gaser: helium (under 4,2 K), väte 20,5 K, kväve 77 K, syre 90 K, ammoniak (-33 °C). Om vi ​​kunde hitta ett material med en kokpunkt nära eller över väte, skulle kostnaden för att hålla kabeln i arbetsskick vara tio gånger mindre än för heliumtemperaturer. Vid övergången till kvävetemperaturer skulle en vinst öka med flera storleksordningar. Därför har superledande material som arbetar vid heliumtemperaturer, även om de upptäcktes för mer än 80 år sedan, fortfarande inte hittat tillämpning inom energisektorn.

Det kan noteras att efterföljande försök att utveckla en fungerande kryogen anordning görs efter vart och ett av teknikens genombrott. Tekniska framsteg har lett till legeringar som har de bästa kritiska induktions- och temperaturegenskaperna.

Så i början av 70-talet var det en boom i studien av stannidniob nb₃Sn. Han har B_med = 22 T och T_med= 18 K. I dessa superledare, i motsats till metaller, är effekten av superledningen mer komplicerad. Det visar sig att de har två värden på den kritiska spänningen B_c0 och B_c1.  

I gapet mellan dem har materialet inget motstånd mot likström, men har en begränsad motstånd mot växelström. Och även om_c0 tillräckligt stora, men värdena på den andra kritiska induktionen B_c1 skiljer sig lite från motsvarande värden för metaller. "Enkla" superledare kallas superledare av den första typen och "komplexa" superledare av den andra typen.

Nya intermetalliska föreningar har inte metallens duktilitet, så frågan löstes samtidigt hur man kan göra utökade element såsom ledningar från spröda material.Flera alternativ har utvecklats, inklusive skapandet av kompositer såsom en skiktkaka med plastmetaller, såsom koppar, avsättning av intermetaller på ett kopparsubstrat, etc., vilket var användbart vid utvecklingen av superledande keramik.

Superledande keramik

Nästa radikala steg i studien av supraledningsförmåga var ett försök att hitta supraledningsförmåga i oxidsystem. Utvecklarnas vaga idé var att i system som innehåller ämnen med variabel val är superledningsförmåga möjligt och vid högre temperaturer. Binära system, d.v.s. bestående av två olika oxider. Det var inte möjligt att hitta supraledningsförmåga. Och bara i trippelsystem BaO-La₂O₃-CuO 1986 detekterades superledningsförmågan vid en temperatur av 30-35 K. För detta arbete fick Bednorts och Muller Nobelpriset i följande, (!!) 1987

Intensiva studier av relaterade föreningar under året ledde till upptäckten av supraledningsförmåga i systemet BaO-Y₂O₃-CuO vid en temperatur av 90 K. Faktum erhålles superledningsförmåga i ett ännu mer komplext system, vars formel kan representeras som YBa₂Cu₃O_7-d. värde d för superledande material med högsta temperatur är 0,2. Detta betyder inte bara en viss procentandel av utgångsoxiderna, utan också en reducerad syrehalt.

I själva verket, om du beräknar med valens, då yttrium - 3, barium - två, koppar 1 eller 2. Sedan har metallerna en total valens på 10 eller 13, och syre har lite mindre än 14. Därför finns det i denna keramik ett överskott av syre i förhållande till den stökiometriska förhållande.

Keramik tillverkas med konventionell keramisk teknik. Hur gör man ledningar av ett bräckligt ämne? Ett sätt görs en suspension av pulvret i ett lämpligt lösningsmedel, sedan tvingas lösningen genom ett munstycke, torkas och lindas på en trumma. Det slutliga avlägsnandet av ligamentet utförs genom förbränning, wiren är klar. Egenskaper hos sådana fibrer: kritiska temperaturer 90-82 K, vid 100 K r= 12 mOhm · cm, (ungefär som grafit), kritisk strömtäthet 4000 A / m².

Låt oss stanna vid den sista siffran. Detta värde är extremt lågt för användning i energisektorn. Jämförelse med ekonomisk strömtäthet (~1 A / mm²), ser man att i keramik är strömtätheten 250 gånger lägre. Forskare undersökte denna fråga och kom till slutsatsen att kontakter som inte är superledande är skylden. Enkeltkristaller har faktiskt erhållit strömtätheter som når den ekonomiska strömtätheten. Och under de senaste två eller tre åren har keramiska ledningar erhållits vars strömtäthet överstiger den ekonomiska strömtätheten.

1999 inleddes en japansk superledande kabel som ansluter två tunnelbanestationer. Kabeln är tillverkad med tekniken för "sandwich", dvs skör keramik i den ligger mellan två lager elastisk och duktil koppar. Isoleringen och samtidigt kylmediet är flytande kväve.

Vad tycker du är ett av de största problemen med den här kabeln? Du kan gissa att dessa problem tidigare diskuterades i relation till isolering. Det visar sig att den dielektriska förlusten i en sådan underbar dielektrik som flytande kväve värmer upp den, vilket kräver ständig omsorg för ytterligare kylning.

Men jagge inte upp, och enligt nyhetsbyråer i Japan avser TEPCO att skapa de första superledande nätverk för att leverera el till bostadshus. I det första steget kommer cirka 300 kilometer av sådana kablar att läggas i Yokohama, som kommer att täcka ungefär en halv miljon byggnader!