Artimiausiu metu visi maitinimo kabeliai bus pagaminti iš superlaidžių medžiagų

Superlaidumo principas. Magnetinio lauko efektas

Srovės srautas laidininkuose visada susijęs su energijos nuostoliais, t. pereinant energijai iš elektrinės į šiluminę. Šis perėjimas yra negrįžtamas, atvirkštinis perėjimas susijęs tik su darbo pabaiga, nes apie tai kalba termodinamika. Tačiau yra galimybė šiluminę energiją paversti elektros energija ir naudoti vadinamąją termoelektrinis efektas, kai naudojami du laidininkų kontaktai, iš kurių vienas yra šildomas, o kitas - aušinamas.

Tiesą sakant, ir šis faktas stebina, kad yra daugybė laidininkų, kuriems esant tam tikroms sąlygoms, srovės tekėjimo metu netenkama energijos! Klasikinėje fizikoje šis poveikis yra nepaaiškinamas.

Pagal klasikinę elektroninę teoriją, įkrovos nešiklio judesys vyksta tolygiai įsibėgėjančiame elektriniame lauke, kol jis susiduria su konstrukcijos defektu arba su grotelių virpesiais. Po susidūrimo, jei jis neelastingas, pavyzdžiui, susidūrus dviem plastilino rutuliams, elektronas praranda energiją, perduodamas jį į metalo atomų grotelę. Šiuo atveju superlaidumas iš principo negali būti.

Pasirodo, superlaidumas atsiranda tik tada, kai atsižvelgiama į kvantinius efektus. Sunku tai įsivaizduoti. Šiek tiek silpnos superlaidumo mechanizmo idėjos gali būti gautos iš šių aplinkybių.

Pasirodo, atsižvelgiant į tai, kad elektronas gali poliarizuoti artimiausio jam grotelės atomą, t. dėl Kulono jėgos veikimo šiek tiek patraukite link savęs, tada šis gardelės atomas šiek tiek paslinks kitą elektroną. Susidaro tarsi elektronų poros ryšys.

Kai elektronas juda, antrasis poros komponentas tarsi suvokia energiją, kurią elektronas perduoda į gardelės atomą. Pasirodo, jei atsižvelgsime į elektronų poros energiją, tai ji nesikeičia susidūrimo metu, t. elektronų energijos nuostoliai neatsiranda! Tokios elektronų poros vadinamos Cooperio poromis.

Apskritai žmogui, turinčiam nusistovėjusias fizines idėjas, jį sunku suprasti. Jums lengviau suprasti, bent jau galite tai suvokti kaip savaime suprantamą dalyką.

Superlaidumastaip pat superfluidumasbuvo rasta eksperimentuose labai žemoje temperatūroje, ties absoliučia nuline temperatūra. Artėjant prie absoliutaus nulio, gardelės virpesiai užšąla. Pasipriešinimas srovės tekėjimui mažėja net pagal klasikinę teoriją, bet iki nulio esant tam tikrai kritinei temperatūrai T_su, jis mažėja tik pagal kvantinius dėsnius.

Superlaidumą atrado du reiškiniai: pirma, elektrinės varžos išnykimo faktas ir, antra, diamagnetizmas. Pirmasis reiškinys yra aiškus - jei praleidžiate tam tikrą srovę Aš per laidininką, po to sumažėjus įtampai U ant laidininko galite nustatyti pasipriešinimą R = U / I. Įtampos išnykimas reiškia ir paties pasipriešinimo išnykimą.

Antrasis reiškinys reikalauja išsamesnio apsvarstymo. Logiškai mąstant, atsparumo nebuvimas yra tapatus absoliučiai diamagnetinei medžiagos prigimčiai. Iš tikrųjų įsivaizduokite nedidelę patirtį. Mes įvesime superlaidžią medžiagą į magnetinio lauko sritį. Pagal Džoulė-Lenzas dėsnį, laidininke turi atsirasti srovė, kuri visiškai kompensuoja magnetinio srauto pokyčius, t. magnetinis srautas per superlaidininką buvo lygus nuliui ir išlieka lygus nuliui. Įprastame laidininke ši srovė suyra, nes laidininkas turi varžą. Tik tada magnetinis laukas prasiskverbia pro laidininką. Esant superlaidininkui, jis neišnyksta.Tai reiškia, kad tekanti srovė visiškai kompensuoja magnetinį lauką savyje, t. laukas į jį neprasiskverbia. Formaliu požiūriu nulinis laukas reiškia, kad medžiagos magnetinis pralaidumas yra lygus nuliui, m = 0 t.y. kūnas pasireiškia kaip absoliuti diamagnetė.

Tačiau šie reiškiniai būdingi tik silpniems magnetiniams laukams. Pasirodo, kad stiprus magnetinis laukas gali prasiskverbti į medžiagą, be to, jis sunaikina patį superlaidumą! Supažindinkite su kritinio lauko B sąvoka_sukuris sunaikina superlaidininką. Tai priklauso nuo temperatūros: maksimali, kai temperatūra artima nuliui, dingsta pereinant prie kritinės temperatūros T_su. Kodėl mums svarbu žinoti įtampą (ar indukciją), kai dingsta superlaidumas? Faktas yra tas, kad kai srovė teka per superlaidininką, aplink laidininką fiziškai sukuriamas magnetinis laukas, kuris turėtų veikti laidininką.

Pavyzdžiui, cilindriniam laidininkui, kurio spindulys r, įdėtas į magnetinio pralaidumo terpę m, magnetinė indukcija ant paviršiaus, atsižvelgiant į Bio-Savard-Laplaso įstatymą, bus

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Kuo didesnė srovė, tuo didesnis laukas. Taigi, esant tam tikrai indukcijai (arba įtempimui), superlaidumas išnyksta, todėl per laidininką gali būti perduodama tik mažesnė srovė, nei sukuria kritinę indukciją.

Taigi superlaidžiai medžiagai turime du parametrus: kritinę magnetinio lauko indukciją B_su ir kritinė temperatūra T_su.  

Metalų kritinė temperatūra yra artima absoliučiai nulinei temperatūrai. Tai sritis, vadinama „Helio“ temperatūra, palyginama su helio virimo temperatūra (4,2 K). Dėl kritinės indukcijos galime pasakyti, kad ji yra palyginti maža. Tai galima palyginti su indukcija transformatoriuose (1–1,5 T). Arba, pavyzdžiui, su indukcija šalia laido. Pavyzdžiui, mes apskaičiuojame indukciją ore šalia vielos, kurios spindulys yra 1 cm, kai 100 A srovė.

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

Pakeitę išraišką (1), gauname B = 2 mT, t.y., vertę, kuri maždaug atitinka kritinę. Tai reiškia, kad jei toks laidininkas įvedamas į elektros liniją, pavyzdžiui, 6 kV, tada didžiausia galia, kurią galima perduoti per kiekvieną fazę, bus P_m = U_f· Aš = 600 kW. Nagrinėtas pavyzdys rodo, kad vidinis magnetinis laukas riboja galimybę perduoti galią per kriogeninę vielą. Be to, kuo arčiau temperatūra iki kritinės temperatūros, tuo mažesnė kritinė indukcijos vertė.

Žemos temperatūros superlaidininkai

Aukščiau jau atkreipiau dėmesį į kai kurias specifines superlaidžias medžiagas. Iš esmės superlaidumo savybė būdinga beveik visoms medžiagoms. Tik elektrai laidžiausio - vario, sidabro (paradoksas?) Superlaidumas nenustatytas. Konkretus superlaidumo pritaikymas energetikos sektoriuje vilioja: būtų nuostabu turėti nuostolingas elektros linijas. Kita programa yra generatorius su superlaidžiomis apvijomis. Tokio generatoriaus pavyzdys buvo parengtas Sankt Peterburge, buvo atlikti sėkmingai bandymai. Trečiasis variantas yra elektromagnetas, kurio indukciją galima valdyti kontroliuojamu būdu, atsižvelgiant į srovės stiprį.

Kitas pavyzdys yra superlaidus induktyvusis kaupimas. Įsivaizduokite didžiulę superlaidžio laidininko ritę. Jei tam tikru būdu įpurškiate srovę ir uždarote įvesties ir išvesties laidus, srovė ritėje teka neribotą laiką. Pagal gerai žinomą įstatymą energija bus uždaroma į ritę

W = l× Aš²/2

kur L- ritės induktyvumas. Hipotetiškai galima įsivaizduoti, kad tam tikru momentu energijos sistemoje yra perteklinė energija, energija iš jos paimama į tokį kaupimo įrenginį. Čia jis laikomas tiek laiko, kiek reikia, kol prireiks energijos. Tada jis palaipsniui, kontroliuojamai pumpuojamas atgal į maitinimo sistemą.

Fizikoje ir superlaidumo technologijoje taip pat yra įprastos elektronikos radijo elementų silpnos srovės analogai. Pavyzdžiui, sistemose „superlaidininkas - plonas varžos metalo (arba dielektriko) sluoksnis - superlaidininkas“ yra įmanomas daugybė naujų fizikinių efektų, kurie jau naudojami elektronikoje. Tai yra žiedo, kuriame yra toks elementas, magnetinio srauto kvantavimas, staigaus srovės pokyčio galimybė priklausomai nuo įtampos, kai sistemą veikia silpna radiacija, ir standartiniai įtampos šaltiniai, pastatyti šiuo principu 10 tikslumu.^-10 B. Be to, yra saugojimo elementų, analogų-skaitmeninių keitiklių ir kt. Yra net keletas superlaidžių kompiuterių dizainų.

Puslaidininkių mikrominiaturizacijos problema yra neatidėliotina tuo, kad net mažas energijos išsiskyrimas labai mažu tūriu gali sukelti didelį perkaitimą, o šilumos išsklaidymo problema yra aktuali.

Ši problema ypač aktuali superkompiuteriams. Pasirodo, mikroschemų vietiniai šilumos srautai gali siekti kilovatus kvadratiniame centimetre. Neįmanoma pašalinti šilumos įprastu būdu, pučiant orą. Jie pasiūlė pašalinti mikroschemų dėklą ir tiesiogiai nupūsti mikrokristalą. Čia iškilo blogo šilumos perdavimo į orą problema. Kitas žingsnis buvo viską užpildyti skysčiu ir pašalinti šilumą verdant skystį ant šių elementų. Skystis turėtų būti labai švarus, jame neturėtų būti mikrodalelių, neišplaukite nė vieno iš daugelio kompiuterio elementų. Iki šiol šie klausimai nebuvo iki galo išspręsti. Tyrimai atliekami su fluoro organiniais fluidais.

Superlaidiuose kompiuteriuose tokių problemų nėra, nes jokių nuostolių. Tačiau įrangos aušinimas iki kriogeninės temperatūros reikalauja didelių išlaidų. Be to, kuo arčiau absoliutaus nulio - tuo didesnės išlaidos. Be to, priklausomybė yra netiesinė, ji yra dar stipresnė nei atvirkščiai proporcinga priklausomybė.

Temperatūros skalė kriogeniniame regione paprastai suskirstoma į keletą sričių pagal suskystintų dujų virimo taškus: helio (žemiau 4,2 K), vandenilio 20,5 K, azoto 77 K, deguonies 90 K, amoniako (-33). °C) Jei rastume medžiagą, kurios virimo temperatūra yra arti vandenilio ar virš jo, kabelio darbinės būklės išlaikymo išlaidos būtų dešimt kartų mažesnės nei helio temperatūros. Pereinant prie azoto temperatūros, padidėtų kelios eilės. Todėl superlaidžios medžiagos, veikiančios helio temperatūroje, nors jos buvo atrastos daugiau nei prieš 80 metų, vis dar nerastos pritaikymo energetikos sektoriuje.

Galima pastebėti, kad vėlesni bandymai sukurti veikiantį kriogeninį įrenginį yra daromi po kiekvieno technologijos lūžio. Dėl technologijos pažangos lydiniai pasižymi geriausiomis kritinėmis indukcijos ir temperatūros savybėmis.

Taigi aštuntojo dešimtmečio pradžioje atsirado stannido niobio tyrimų bumas Nb₃Sn. Jis turi B_su = 22 T ir T_su= 18 K. Tačiau šiuose superlaidininkuose, priešingai nei metalams, superlaidumo poveikis yra sudėtingesnis. Pasirodo, jie turi dvi kritinės įtampos B reikšmes_c0 ir B_s1.  

Tarpuose tarp jų medžiaga neturi atsparumo nuolatinėms srovėms, tačiau turi ribotą atsparumą kintamajai srovei. Ir nors In_c0 pakankamai didelis, bet antros kritinės indukcijos B vertės_s1 mažai skiriasi nuo atitinkamų metalų verčių. „Paprasti“ superlaidininkai vadinami pirmosios rūšies superlaidininkais, o „kompleksiniais“ - antros rūšies superlaidininkais.

Nauji tarpmetaliniai junginiai neturi metalų elastingumo, todėl tuo pačiu metu buvo išspręstas klausimas, kaip iš trapių medžiagų pagaminti prailgintus elementus, tokius kaip viela.Buvo sukurta keletas variantų, įskaitant kompozitų, tokių kaip sluoksninis tortas su plastikiniais metalais, tokiais kaip varis, sukūrimą, tarpmetalių nusodinimą ant vario pagrindo ir kt., Kurie buvo naudingi kuriant superlaidžią keramiką.

Superlaidi keramika

Kitas radikalus superlaidumo tyrimo žingsnis buvo bandymas nustatyti oksidinių sistemų superlaidumą. Neaiški kūrėjų mintis buvo ta, kad sistemose, turinčiose kintamo valentingumo medžiagų, superlaidumas yra aukštesnis ir aukštesnėje temperatūroje. Dvejetainės sistemos, t.y. sudarytas iš dviejų skirtingų oksidų. Neįmanoma rasti superlaidumo. Ir tik trigubose sistemose Bao-la₂O₃-KuO 1986 m. buvo nustatytas superlaidumas 30-35 K temperatūroje. Už šį darbą Bednortsas ir Mulleris gavo Nobelio premiją šiais metais (!!) 1987 m.

Intensyvūs susijusių junginių tyrimai per metus leido atrasti sistemos superlaidumą Bao-y₂O₃-KuO esant 90 K temperatūrai. Tiesą sakant, superlaidumas gaunamas dar sudėtingesnėje sistemoje, kurios formulę galima apibūdinti taip: Yba₂Cu₃O_7-d. Vertė d Aukščiausios temperatūros superlaidžios medžiagos yra 0,2. Tai reiškia ne tik tam tikrą pradinių oksidų procentą, bet ir sumažintą deguonies kiekį.

Iš tikrųjų, jei skaičiuotumėte pagal valentingumą, tada itrio - 3, bario - du, vario 1 arba 2. Tada metalų bendrasis valentingumas yra 10 arba 13, o deguonies yra šiek tiek mažiau nei 14. Todėl šioje keramikoje yra deguonies perteklius, palyginti su stechiometriniu. koreliacija.

Keramika gaminama naudojant įprastą keramikos technologiją. Kaip padaryti laidus iš trapios medžiagos? Vienu būdu, milteliai suspensija gaunama tinkamame tirpiklyje, tada tirpalas išstumiamas per štampą, išdžiovinamas ir suvyniojamas ant būgno. Galutinis raiščio pašalinimas atliekamas deginant, viela yra paruošta. Tokių pluoštų savybės: kritinė temperatūra 90–82 K, esant 100 K r= 12 mOhm · cm (maždaug kaip grafitas), kritinis srovės tankis 4000 A / m².

Pasilikime paskutinį skaitmenį. Ši vertė yra ypač maža naudojimui energetikos sektoriuje. Palyginimas su ekonominiu srovės tankiu (~1 A / mm²) matyti, kad keramikoje srovės tankis yra 250 kartų mažesnis. Mokslininkai ištyrė šią problemą ir priėjo prie išvados, kad kalti kontaktai, kurie nėra superlaidūs. Iš tiesų, pavieniai kristalai turi tokį srovės tankį, kuris pasiekia ekonominį srovės tankį. Ir per pastaruosius dvejus ar trejus metus buvo gauti keraminiai laidai, kurių srovės tankis viršija ekonominį srovės tankį.

1999 m. Japonijoje buvo pradėtas eksploatuoti superlaidus kabelis, jungiantis dvi metro stotis. Kabelis pagamintas naudojant „sumuštinio“ technologiją, t. trapi keramika joje yra tarp dviejų elastingo ir kaliojo vario sluoksnių. Izoliacija ir kartu šaltnešis yra skystas azotas.

Kaip manote, kokia yra viena pagrindinių šio laido problemų? Galite atspėti, kad šie klausimai anksčiau buvo aptarti dėl izoliacijos. Pasirodo, dielektrinis nuostolis tokiu nuostabiu dielektriku kaip skystas azotas jį sušildo, todėl reikia nuolat rūpintis papildomu aušinimu.

Bet ašnepasiduok, o Japonijos naujienų agentūrų duomenimis, TEPCO ketina sukurti pirmuosius superlaidžius tinklus, skirtus tiekti elektrą į gyvenamuosius namus. Pirmajame etape maždaug 300 kilometrų tokių kabelių bus nutiesta Jokohamoje, kuri apims apie pusę milijono pastatų!