Уже в найближчому майбутньому всі силові кабелі будуть з надпровідних матеріалів

Принцип надпровідності. Вплив магнітного поля

Протікання струму в провідниках завжди пов'язане з втратами енергії, тобто з переходом енергії з електричного виду в тепловій вид. Цей перехід незворотній, зворотний перехід пов'язаний тільки з вчиненням роботи, як про це говорить термодинаміка. Існує, правда можливість переведення теплової енергії в електричну і з використанням т.зв. термоелектричного ефекту, коли використовують два контакту двох провідників, причому один нагрівають, а інший охолоджують.

Насправді, - і цей факт дивний, існує ряд провідників, в яких, при виконанні деяких умов, втрат енергії при протіканні струму немає! В рамках класичної фізики цей ефект нез'ясовний.

Згідно класичної електронної теорії рух носія заряду відбувається в електричному полі равноускоренно до зіткнення з дефектом структури або з коливанням решітки. Після зіткнення, якщо воно неупругое, як зіткнення двох пластилінових кульок, електрон втрачає енергію, передаючи її решітці з атомів металу. У цьому випадку принципово не може бути надпровідності.

Виявляється надпровідність з'являється тільки при обліку квантових ефектів. Наочно уявити це важко. Деякий, слабке уявлення про механізм надпровідності можна отримати з таких міркувань.

Виявляється, якщо врахувати, що електрон може поляризувати найближчий до нього атом решітки, тобто трохи притягнути його до себе за рахунок дії кулоновской сили, то цей атом решітки трохи-трохи змістить наступний електрон. Утворюється як-би зв'язок пари електронів.

При русі електрона, другий компонент пари, як-би сприймає енергію, яку передає електрон атому решітки. Виходить, що якщо врахувати енергію пари електронів, то вона при зіткненні не змінюється, тобто втрати енергії електронів не відбувається! Такі пари електронів називаються куперовскими парами.

Загалом це важко зрозуміти людині зі сформованими фізичними уявленнями. Вам, це зрозуміти легше, принаймні ви можете це сприйняти як даність.

Надпровідність, як і надтекучість, були виявлені в експериментах при наднизьких температурах, поблизу абсолютного нуля температур. У міру наближення до абсолютного нуля коливання решітки завмирають. Опір протіканню струму зменшується навіть згідно класичної теорії, але до нуля при деякій критичній температурі Т_з, воно зменшується тільки згідно квантовим законам.

Надпровідність виявили за двома явищам: по перше за фактом зникнення електричного опору, по друге по діамагнетизму. Перше явище зрозуміло - якщо пропускати певний струм I через провідник, то з падіння напруги U на провіднику можна визначити опір R = U / I. Зникнення напруги означає зникнення опору як такого.

Друге явище вимагає більш докладного розгляду. Якщо міркувати логічно, то відсутність опору тотожне абсолютній діамагнітними матеріалу. Дійсно, уявімо собі невеликий досвід. Будемо вводити надпровідний матеріал в область магнітного поля. Відповідно до закону Джоуля-Ленца, в провіднику повинен виникати струм, повністю компенсує зміна магнітного потоку, тобто магнітний потік через надпровідник як був нульовим, так і залишається нульовим. У звичайному провіднику цей струм затухає, тому у провідника є опір. Тільки після цього в провідник проникає магнітне поле. У сверхпроводнике він не згасає. Це означає, що протікає струм призводить до повної компенсації магнітного поля всередині себе, тобто поле в нього не проникає. З формальних позицій нульове поле означає, що магнітна проникність матеріалу дорівнює нулю, m = 0 тобто тіло проявляє себе абсолютним діамагнетиком.

Однак ці явища характерні тільки для слабких магнітних полів. Виявляється сильне магнітне поле може проникати в матеріал, більше того, воно руйнує саме надпровідність! Вводять поняття критичного поля В_з, яке руйнує надпровідник. Воно залежить від температури: максимально при температурі, близькій до нуля, зникає при переході до критичної температури Т_з. Для чого нам важливо знати напруженість, (або індукцію) при якій зникає надпровідність? Справа в тому, що при протіканні струму по надпровідники фізично створюється магнітне поле навколо провідника, яке повинно діяти на провідник.

Наприклад для циліндричного провідника радіуса r, поміщеного в середу з магнітною проникністю m, магнітна індукція на поверхні відповідно до закону Біо-Савара-Лапласа складе

B = m₀-m-I / 2pr (1)

Чим більше струм, тим більше поле. Таким чином, при деякій індукції (або напруженості) надпровідність зникає, а отже, через провідник можна пропустити тільки струм, менше того, який створює критичну індукцію.

Таким чином для надпровідного матеріалу ми маємо два параметри: критична індукція магнітного поля В_з і критична температура Т_з.

Для металів критичні температури близькі до абсолютного нуля температур. Це область, т.зв. «Гелієвих» температур, порівнянних з точкою кипіння гелію (4.2 К). Щодо критичної індукції можна сказати, що вона порівняно невелика. Можна порівняти з індукцією в трансформаторах (1-1.5 Тл). Або наприклад з індукцією поблизу проводу. Розрахуємо наприклад індукцію в повітрі поблизу проводу радіусом 1 см при протіканні струму 100 А.

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

Підставляючи у вираз (1) отримаємо В = 2 мТл, т.е значення, приблизно відповідне критичним. Це означає, що якщо такий провідник поставити в лінію електропередач, наприклад 6 кВ, то максимальна потужність, яка може передаватися по кожній фазі складе Р_м = U_фmiddot-I = 600 кВт. На розглянутому прикладі видно, що власне магнітне поле обмежує можливість передачі потужності по криогенному проводу. При цьому, чим ближче температура до критичної температури, тим менше значення критичної індукції.

Низькотемпературні надпровідники

Вище я вже зупинявся на деяких конкретних надпровідних матеріалах. В принципі властивість надпровідності характерно практично для всіх матеріалів. Тільки для самих електропровідних - мідь, срібло (парадокс?) Надпровідність не знайдено. Конкретне застосування надпровідності в енергетиці виглядає привабливим: мати лінії електропередач без втрат було б чудово. Інший варіант застосування - генератор з надпровідними обмотками. Зразок такого генератора розроблявся в Санкт-Петербурзі, були проведені успішні випробування. Третій варіант - електромагніт, індукція якого може керовано змінюватися в залежності від сили струму.

Ще один приклад - надпровідний індуктивний накопичувач. Уявіть собі величезну котушку з надпровідного провідника. Якщо в неї будь-яким способом закачати струм і замкнути вхідний і вихідний проводи, то струм в котушці буде текти нескінченно довго. У відповідності з відомим законом в котушці буде укладена енергія

W = L- I²/ 2

де L- індуктивність котушки. Гіпотетично можна уявити собі, що в якийсь момент часу надлишку енергії в енергосистемі, з неї забирається енергія в такий накопичувач. Тут вона зберігається стільки часу, скільки потрібно до появи потреби в енергії. Потім вона поступово, керовано перекачується знову в енергосистему.

У фізиці і техніці надпровідності є і слабкострумові аналоги радіоелементів звичайної електроніки. Наприклад в системах «надпровідник - тонкий прошарок резистивного металу (або діелектрика) - надпровідник» можливий ряд нових фізичних ефектів, які вже застосовуються в електроніці. Це квантування магнітного потоку в кільці, що містить такий елемент, можливість стрибкоподібного зміни струму в залежності від напруги при впливі на систему слабкого випромінювання, і побудовані на цьому принципі еталонні джерела напруги з точністю до 10^-10 В. Крім цього, існують елементи, що запам'ятовують, аналого-цифрові перетворювачі і т.п. Існує навіть кілька проектів комп'ютерів на надпровідниках.

Актуальність проблеми мікромініатюризації за допомогою напівпровідників полягає в тому, що навіть мале виділення енергії в дуже малому обсязі може призвести до значних перегрівів і гостро постає проблема відведення тепла.

Ця проблема особливо актуальна для суперкомп'ютерів. Виявляється в мікрочіпах локальні теплові потоки можуть досягати значень кіловат на квадратний сантиметр. Прибрати тепло звичайними шляхами, за допомогою обдування повітрям не вдається. Запропонували прибрати корпусу мікросхем і обдувати безпосередньо мікрокристал. Тут виникла проблема слабкої теплопередачі в повітря. Наступним кроком запропонували залити все рідиною і відводити тепло кип'ятінням рідини на цих елементах. Рідина повинна бути дуже чистою, не містити мікрочастинок, що не вимивати нічого з численних елементів комп'ютера. Поки ці питання повністю не вирішені. Дослідження проводяться з фторорганічні рідинами.

У надпровідникових комп'ютерах таких проблем немає, тому немає втрат. Однак саме охолодження обладнання до кріогенних температур вимагає чимало витрат. При цьому, чим ближче до абсолютного нуля - тим більше витрати. Причому залежність нелінійна, вона навіть сильніше, ніж обернено пропорційна залежність.

Температурну шкалу в кріогенної області умовно ділять на кілька областей по температурах кипіння зріджених газів: гелієва (нижче 4.2 К), воднева 20.5 К, азотна 77 К, киснева 90 К, аміак (-33 °С). Якби вдалося знайти матеріал, у якого температура кипіння була б поблизу або вище водневої - витрат на підтримку кабелю в робочому стані було б у десять разів менше ніж для гелієвих температур. При переході до азотним температур був би виграш ще на кілька порядків величини. Тому надпровідні матеріали, що працюють при гелієвих температурах, хоча були відкриті більше 80 років тому, досі не знайшли застосування в енергетиці.

Можна відзначити, що чергові спроби розробити чинне криогенное пристрій робляться після кожного з проривів в технології. Прогрес в технології привів до того, що з'явилися сплави, які мали кращими характеристиками по критичним індукції і температурі.

Так на початку 70-х років був бум по дослідженню станід ніобію Nb₃Sn. У нього В_з = 22 Тл, а Т_з= 18 К. Однак у цих надпровідників, на відміну від металів ефект надпровідності більш складний. Виявляється у них існують два значення критичної напруженості В_з0 і В_з1.

У проміжку між ними матеріал не має опору по відношенню до постійного струму, але має кінцеве опір змінному струму. І хоча В_з0 досить велика, але значення другої критичної індукції В_з1 мало відрізняється від відповідних значень для металів. «Прості» надпровідники отримали назву надпровідників першого роду, а «складні» - надпровідників другого роду.

Нові интерметаллические з'єднання не володіють пластичністю металів, тому попутно вирішувалося питання, як робити протяжні елементи типу проводів з крихких матеріалів. Розробили кілька варіантів, у тому числі створення композитів типу листковий пиріг з пластичними металами, наприклад міддю, нанесення Інтерметалл на мідну підкладку і т.п., що згодилося при розробці сверхпроводящей кераміки.

Надпровідна кераміка

Наступним радикальним кроком у дослідженні надпровідності стала спроба знайти надпровідність в оксидних системах. Смутна ідея розробників полягала в тому, що в системах містять речовини зі змінною валентністю можлива надпровідність, причому при більш високих температурах. Були досліджені подвійні системи, тобто складаються з двох різних оксидів. Тут не вдалося знайти надпровідність. І тільки в потрійних системах BaO-La₂O₃-CuO в 1986 р була виявлена надпровідність при температурі 30-35 К. За цю роботу Беднорц і Мюллер отримали Нобелівську премію в наступному, (!!) 1987

Інтенсивні дослідження споріднених складів протягом року привели до виявлення надпровідності в системі BaO-Y₂O₃-CuO при температурі 90 К. Насправді надпровідність отримана в ще більш складній системі, формулу якої можна представити як YBa₂Cu₃O_7-d. Значення d для самого високотемпературного надпровідного матеріалу складає 0.2. Це означає не тільки певне процентне співвідношення між вихідними оксидами, але і зменшене вміст кисню.

Дійсно, якщо порахувати за валентністю, то у ітрію - 3, у барію - два, у міді 1 або 2. Тоді у металів повна валентність складе 10 або 13, а у кисню - трохи менше 14. Значить в цій кераміці надлишок кисню щодо стехиометрического співвідношення.

Кераміку отримують за звичайною керамічною технологією. Як з крихкого речовини робити дроти? Один із способів, роблять суспензію з порошку у відповідному розчиннику, потім розчин продавлюють через фильеру, підсушують і змотують на барабан. Остаточне видалення зв'язки проводять випалюванням, провід готовий. Властивості таких волокон: критичні температури 90-82 К, при 100 К r= 12 мОмmiddot-см, (приблизно як у графіту), критична щільність струму 4000 А / м².

Зупинимося на останній цифрі. Це значення вкрай низько для застосування в енергетиці. Порівнюючи з економічною щільністю струму (~ 1 А / мм²), Видно, що в кераміці щільність струму в 250 разів менше. Вчені досліджували це питання і прийшли до висновку, що в усьому винні контакти, які не є сверхпроводящими. Дійсно, в монокристалах отримані щільності струму, що досягають економічної щільності струму. А в останні два-три роки отримані керамічні дроти, щільність струму в яких перевищує економічну щільність струму.

У 1999 році в Японії введено в пробну експлуатацію надпровідний кабель, що з'єднує дві станції метро. Кабель зроблений за технологією "сендвіча", тобто тендітна кераміка в ньому знаходиться між двома шарами пружною і пластичної міді. Ізоляцією і одночасно, хладоагентом, є рідкий азот.

Як ви думаєте, що є однією з основних проблем роботи цього кабелю? Можете здогадатися, про ці проблеми раніше говорили стосовно до ізоляції. Виявляється, діелектричні втрати в такому чудовому діелектрику, як рідкий азот, підігрівають його, що вимагає постійної турботи про додаткове охолодження.

Але яПонці не здаються і за повідомленнями новинних агентств в Японії в 2010 році компанія TEPCO має намір створити перший надпровідні мережі для доставки електроенергії до житлових будинків. На першому етапі буде прокладено приблизно 300 кілометрів подібних кабелів в місті Йокогамі, що охопить близько півмільйона будівель!

Автор: Коробейников С.М. https://sermir.narod.ru/

Підпишіться на нові статті сайту Електрік.Інфо через RSS

Сам собі електрик
Домашня майстерня
Пізнавальні статті
Карта сайту