I den nærmeste fremtid vil alle strømkabler være lavet af superledende materialer

Princippet om superledelse. Magnetfelteffekt

Strømmen af ​​strøm i ledere er altid forbundet med energitab, dvs. med overgangen af ​​energi fra elektrisk til termisk. Denne overgang er irreversibel, den omvendte overgang er kun forbundet med afslutningen af ​​arbejdet, da termodynamik taler om dette. Der er imidlertid muligheden for at konvertere termisk energi til elektrisk energi og bruge den såkaldte termoelektrisk effekt, når der bruges to kontakter fra to ledere, hvoraf den ene opvarmes og den anden afkøles.

Faktisk, og denne kendsgerning er overraskende, er der et antal ledere, hvor der under visse betingelser ikke er noget energitab under strømmen af ​​strøm! I klassisk fysik er denne effekt uforklarlig.

I henhold til den klassiske elektroniske teori forekommer bevægelsen af ​​en ladningsbærer i et elektrisk felt ensartet accelereret, indtil det kolliderer med en strukturel defekt eller med en gittervibration. Efter en kollision, hvis den er uelastisk, som en kollision af to plasticinekugler, mister en elektron energi, og overfører den til et gitter af metalatomer. I dette tilfælde kan der i princippet ikke være nogen superledningsevne.

Det viser sig, at superledelse kun vises, når der tages højde for kvanteeffekter. Det er svært at forestille sig det. En eller anden svag idé om superledningsmekanismen kan opnås ud fra følgende overvejelser.

Det viser sig, i betragtning af at elektronet kan polarisere gitteret der er nærmest, dvs. træk det lidt mod dig på grund af virkningen af ​​Coulomb-styrken, så skifter dette gitteratom den næste elektron. Der dannes som sådan en binding af et par elektroner.

Når elektronet bevæger sig, opfatter den anden komponent af parret som den var den energi, som elektronet overfører til gitterets atom. Det viser sig, at hvis vi tager højde for energien fra et par elektroner, ændres det ikke under en kollision, dvs. elektron-energitab forekommer ikke! Sådanne elektronpar kaldes Cooper-par.

Generelt er det vanskeligt at forstå for en person med etablerede fysiske ideer. Det er lettere for dig at forstå, i det mindste kan du tage det for givet.

superledningså godt superfluiditetblev fundet i eksperimenter ved ultra-lave temperaturer, nær absolutte nul temperaturer. Når du nærmer dig absolut nul, fryser gittervibrationerne. Modstanden mod strømmen falder selv i henhold til den klassiske teori, men til nul ved en bestemt kritisk temperatur T_med, falder den kun i henhold til kvantelovgivningen.

Superledningsevne blev opdaget af to fænomener: for det første om det faktum, at elektrisk modstand forsvandt, og for det andet om diamagnetisme. Det første fænomen er klart - hvis du passerer en bestemt strøm jeg gennem lederen og derefter ved spændingsfaldet U på lederen kan du bestemme modstanden R = U / I Spændingens forsvinden betyder modstandens forsvinden som sådan.

Det andet fænomen kræver mere detaljeret overvejelse. Logisk set er manglen på modstand identisk med materialets absolutte diamagnetiske natur. Forestil dig faktisk en lille oplevelse. Vi introducerer superledende materiale i det magnetiske felt. I henhold til Joule-Lenz-loven skal der forekomme en strøm i lederen, der fuldstændigt kompenserer for ændringen i magnetisk flux, dvs. den magnetiske flux gennem superlederen var både nul og forbliver nul. I en konventionel leder forfalder denne strøm, fordi lederen har en modstand. Først da trænger et magnetfelt ind i lederen. I en superleder falmer den ikke.Dette betyder, at den strømende strøm fører til en komplet kompensation af magnetfeltet i sig selv, dvs. feltet trænger ikke ind i det. Fra et formelt synspunkt betyder et nulfelt, at den magnetiske permeabilitet for materialet er nul, m = 0 dvs. kroppen manifesterer sig som en absolut diamagnet.

Imidlertid er disse fænomener kun karakteristiske for svage magnetfelter. Det viser sig, at et stærkt magnetfelt kan trænge ind i materialet, desuden ødelægger det superledelse selv! Introducer begrebet kritisk felt B_medder ødelægger en superleder. Det afhænger af temperaturen: maksimum ved en temperatur tæt på nul, forsvinder ved overgang til en kritisk temperatur T_med. Hvorfor er det vigtigt for os at kende den spænding (eller induktion), hvor superledningsevnen forsvinder? Faktum er, at når strøm flyder gennem en superleder, oprettes et magnetisk felt fysisk omkring lederen, som skal virke på lederen.

For eksempel til en cylindrisk leder med radius r placeret i et medium med magnetisk permeabilitet m, magnetisk induktion på overfladen i overensstemmelse med loven fra Bio-Savard-Laplace vil være

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Jo større strøm, jo ​​større felt. Med en eller anden induktion (eller spænding) forsvinder superledningsevnen, og derfor kan kun en strøm mindre end den, der skaber kritisk induktion, ledes gennem lederen.

For et superledende materiale har vi således to parametre: kritisk magnetfeltinduktion B_med og kritisk temperatur T_med.  

For metaller er kritiske temperaturer tæt på absolutte nul temperaturer. Dette er det såkaldte område “Helium” temperaturer, sammenlignelige med kogepunktet for helium (4,2 K). Med hensyn til kritisk induktion kan vi sige, at den er relativt lille. Det kan sammenlignes med induktion i transformatorer (1-1,5 T). Eller for eksempel med induktion i nærheden af ​​ledningen. For eksempel beregner vi induktion i luft nær en ledning med en radius på 1 cm med en strøm på 100 A.

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

Ved udskiftning i ekspression (1) opnår vi B = 2 mT, dvs. en værdi, der omtrent svarer til kritisk. Dette betyder, at hvis en sådan leder sættes i en kraftledning, for eksempel 6 kV, så vil den maksimale effekt, der kan overføres gennem hver fase, være P_m = U_f· Jeg = 600 kW. Det betragtede eksempel viser, at det indre magnetiske felt begrænser evnen til at overføre strøm gennem en kryogen ledning. Desuden er, jo tættere temperaturen til den kritiske temperatur, jo lavere er den kritiske induktionsværdi.

Superledere med lav temperatur

Ovenfor har jeg allerede fokuseret på nogle specifikke superledende materialer. I princippet er egenskaben med superledelse karakteristisk for næsten alle materialer. Kun for den mest elektrisk ledende - kobber, sølv (paradoks?) Superledningsevne detekteres ikke. Den specifikke anvendelse af superledningsevne i energisektoren er fristende: Det ville være vidunderligt at have tabelløse kraftledninger. En anden anvendelse er en generator med superledende viklinger. En prøve af en sådan generator blev udviklet i Skt. Petersborg, og vellykkede tests blev udført. Den tredje mulighed er en elektromagnet, hvis induktion kan styres på en kontrolleret måde afhængig af strømstyrken.

Et andet eksempel er en superledende induktiv lagring. Forestil dig en enorm spole af superledende leder. Hvis du indsprøjter strøm i det på en eller anden måde og lukker indgangs- og udgangstrådene, vil strømmen i spolen flyde på ubestemt tid. I overensstemmelse med en velkendt lov vil energi blive lukket i en spole

W = l× jeg²/2

hvor L- spiralinduktans. Hypotetisk kan man forestille sig, at der på et tidspunkt er overskydende energi i energisystemet, energi tages fra det til en sådan opbevaringsenhed. Her opbevares det så længe som nødvendigt, indtil behovet for energi. Derefter pumpes det gradvist, kontrollerbart tilbage i elsystemet.

Inden for fysik og superledningsevnen er der også lavstrømsanaloger af radioelementerne i konventionel elektronik. For eksempel er der i systemerne "superleder - et tyndt lag resistivt metal (eller dielektrisk) - superleder" et antal nye fysiske effekter mulige, der allerede bruges i elektronik. Dette er kvantiseringen af ​​magnetfluxen i en ring, der indeholder et sådant element, muligheden for en pludselig ændring i strøm afhængigt af spændingen, når systemet udsættes for svag stråling, og standardspændingskilder bygget på dette princip med en nøjagtighed på 10^-10 B. Derudover er der lagerelementer, analoge til digitale konvertere osv. Der er endda et par superledende computerdesign.

Problemet med mikrominiaturisering ved anvendelse af halvledere er, at selv en lille energifrigivelse i et meget lille volumen kan føre til betydelig overophedning, og problemet med varmeafledning er akut.

Dette problem er især relevant for supercomputere. Det viser sig, at mikrochips lokale varmefluxer kan nå kilowatt per kvadratcentimeter. Det er ikke muligt at fjerne varme på den sædvanlige måde ved at blæse luft. De foreslog at fjerne tilfældet med mikrokredsløb og blæse direkte mikrokrystallen. Her opstod problemet med dårlig varmeoverførsel til luften. Det næste trin var at fylde alt med væske og fjerne varme ved at koge væsken på disse elementer. Væsken skal være meget ren, ikke indeholde mikropartikler, ikke vaske nogen af ​​computerens mange elementer ud. Indtil videre er disse spørgsmål ikke fuldt ud løst. Forskning udføres med organofluorvæsker.

I superledende computere er der ingen sådanne problemer, fordi intet tab. Afkøling af udstyret til kryogene temperaturer kræver dog en del omkostninger. Desuden er jo tættere på absolut nul - jo større er omkostningerne. Derudover er afhængigheden ikke-lineær, den er endnu stærkere end den omvendte proportionelle afhængighed.

Temperaturskalaen i det kryogene område er konventionelt opdelt i flere områder i henhold til kogepunkterne for flydende gasser: helium (under 4,2 K), brint 20,5 K, nitrogen 77 K, oxygen 90 K, ammoniak (-33 °C). Hvis det var muligt at finde et materiale med et kogepunkt nær eller over brint, ville omkostningerne ved at holde kablet i arbejdstilstand være ti gange mindre end for heliumtemperaturer. Ved overgang til nitrogentemperaturer ville der være en gevinst med flere størrelsesordener. Derfor har superledende materialer, der arbejder ved heliumstemperaturer, selvom de blev opdaget for mere end 80 år siden, stadig ikke fundet anvendelse i energisektoren.

Det kan bemærkes, at efterfølgende forsøg på at udvikle en operativ kryogen anordning udføres efter hvert af gennembrudene inden for teknologi. Fremskridt inden for teknologi har ført til legeringer, der har de bedste kritiske induktions- og temperaturegenskaber.

Så i de tidlige 70'ere var der en boom i studiet af stannid niob Nb₃Sn. Han har B_med = 22 T og T_med= 18 K. I disse superledere, i modsætning til metaller, er effekten af ​​superledningen mere kompliceret. Det viser sig, at de har to værdier for den kritiske spænding B_c0 og B_c1.  

I afstanden mellem dem har materialet ingen modstand mod jævnstrøm, men har en begrænset modstand mod vekselstrøm. Og selvom I_c0 store nok, men værdierne af den anden kritiske induktion B_c1 adskiller sig lidt fra de tilsvarende værdier for metaller. "Enkle" superledere kaldes superledere af den første art og "komplekse" superledere af den anden art.

Nye intermetalliske forbindelser har ikke metalens duktilitet, så spørgsmålet blev samtidig løst, hvordan man fremstiller udvidede elementer, såsom ledninger fra sprøde materialer.Der er udviklet adskillige muligheder, herunder oprettelse af kompositter, såsom en lagkage med plastmetaller, såsom kobber, afsætning af intermetaller på et kobbersubstrat osv., Som var nyttigt i udviklingen af ​​superledende keramik.

Superledende keramik

Det næste radikale trin i studiet af superledningsevne var et forsøg på at finde superledningsevne i oxidsystemer. Udviklernes vage idé var, at i systemer, der indeholder stoffer med variabel valens, er superledningsevne mulig og ved højere temperaturer. Binære systemer, dvs. bestående af to forskellige oxider. Det var ikke muligt at finde superledelse. Og kun i tredobbelt systemer BaO-La₂O₃CuO i 1986 blev superledningsevne detekteret ved en temperatur på 30-35 K. For dette arbejde modtog Bednorts og Muller Nobelprisen i det følgende, (!!) 1987

Intensive undersøgelser af beslægtede forbindelser i løbet af året førte til opdagelsen af ​​superledningsevne i systemet BaO-Y₂O₃CuO ved en temperatur på 90 K. Faktisk opnås superledningsevne i et endnu mere komplekst system, hvis formel kan repræsenteres som YBA₂Cu₃O_7-d. værdi d for superledende materiale med den højeste temperatur er 0,2. Dette betyder ikke kun en bestemt procentdel af udgangsoxiderne, men også et reduceret iltindhold.

Faktisk, hvis du beregner efter valens, så yttrium - 3, barium - to, kobber 1 eller 2. Så har metallerne en total valens på 10 eller 13, og ilt - lidt mindre end 14. Derfor er der i denne keramik et overskud af ilt i forhold til den støkiometriske forholdet.

Keramik fremstilles ved hjælp af konventionel keramisk teknologi. Hvordan laver man ledninger fra et skrøbeligt stof? En måde fremstilles en suspension af pulveret i et egnet opløsningsmiddel, hvorefter opløsningen tvinges gennem en matrice, tørres og vikles på en tromle. Den endelige fjernelse af ledbåndet udføres ved afbrænding, ledningen er klar. Egenskaber ved sådanne fibre: kritiske temperaturer 90-82 K ved 100 K r= 12 mOhm · cm, (omtrent som grafit), kritisk strømtæthed 4000 A / m².

Lad os dvæle ved det sidste ciffer. Denne værdi er ekstremt lav til brug i energisektoren. Sammenligning med økonomisk strømtæthed (~1 A / mm²) ser man, at i keramik er strømtætheden 250 gange lavere. Forskere undersøgte dette spørgsmål og kom til den konklusion, at kontakter, der ikke er superledende, har skylden. Enkeltkrystaller har faktisk opnået strømtæthed, der når den økonomiske strømtæthed. Og i de sidste to eller tre år er der opnået keramiske ledninger, hvis strømtæthed overstiger den økonomiske strømtæthed.

I 1999 blev et superledende kabel, der forbinder to metrostationer, bestilt i Japan. Kablet fremstilles ved hjælp af teknologien "sandwich", dvs. skrøbelige keramikker i det er placeret mellem to lag elastisk og duktilt kobber. Isoleringen og på samme tid kølemidlet er flydende nitrogen.

Hvad synes du er et af de største problemer med dette kabel? Du kan gætte, at disse spørgsmål tidligere blev drøftet i relation til isolering. Det viser sig, at det dielektriske tab i en sådan vidunderlig dielektrikum som flydende nitrogen opvarmer det, hvilket kræver konstant pleje af yderligere afkøling.

Men jeggiver ikke op, og ifølge nyhedsbureauer i Japan har TEPCO til hensigt at oprette de første superledende netværk til levering af elektricitet til boligbygninger. I den første fase vil cirka 300 kilometer af sådanne kabler blive lagt i Yokohama, der dækker omkring en halv million bygninger!