Sa malapit na hinaharap, ang lahat ng mga kable ng kuryente ay gagawin ng mga superconducting na materyales

Ang prinsipyo ng superconductivity. Epekto ng magnetic field

Ang daloy ng kasalukuyang sa mga conductor ay palaging nauugnay sa pagkalugi ng enerhiya, i.e. sa paglipat ng enerhiya mula sa elektrikal hanggang thermal. Ang paglipat na ito ay hindi maibabalik, ang reverse transition ay nauugnay lamang sa pagkumpleto ng trabaho, dahil ang tungkol sa thermodynamics ay nagsasalita tungkol dito. Gayunman, mayroong, ang posibilidad ng pag-convert ng thermal energy sa elektrikal na enerhiya at paggamit ng tinatawag na epekto ng thermoelectric, kapag ginagamit ang dalawang contact ng dalawang conductor, ang isa dito ay pinainit at ang iba pa ay pinalamig.

Sa katunayan, at ang katotohanang ito ay nakakagulat, mayroong isang bilang ng mga conductor kung saan, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, walang pagkawala ng enerhiya sa panahon ng daloy ng kasalukuyang! Sa klasiko na pisika, ang epekto na ito ay hindi maipaliwanag.

Ayon sa klasiko na teorya ng elektronik, ang paggalaw ng isang carrier ng singil ay nangyayari sa isang patlang ng kuryente na pantay na pinabilis hanggang sa mabangga ito ng isang kakulangan sa istruktura o may isang panginginig ng lattice. Matapos ang isang banggaan, kung ito ay hindi magawa, tulad ng banggaan ng dalawang plasticine bola, ang isang elektron ay nawawala ang enerhiya, paglilipat ito sa isang sala-sala ng mga metal atoms. Sa kasong ito, sa prinsipyo, walang maaaring superconductivity.

Ito ay lumiliko na ang superconductivity ay lilitaw lamang kapag ang mga epekto ng dami ay isinasaalang-alang. Mahirap isipin ito. Ang ilang mahinang ideya ng mekanismo ng superconductivity ay maaaring makuha mula sa mga sumusunod na pagsasaalang-alang.

Ito ay lumiliko, na ibinigay na ang elektron ay maaaring polarize ang atom ng sala-lapit na pinakamalapit dito, i.e. hilahin ito nang bahagya sa iyo dahil sa pagkilos ng puwersa ng Coulomb, kung gayon ang ganitong lattice atom ay bahagyang ilipat ang susunod na elektron. Ang isang bono ng isang pares ng mga electron ay nabuo, tulad ng dati.

Kapag ang elektron ay gumagalaw, ang pangalawang sangkap ng pares ay nakakakita ng enerhiya na inililipat ng elektron sa atom ng sala-sala. Ito ay lumiliko na kung isasaalang-alang namin ang enerhiya ng isang pares ng mga elektron, kung gayon hindi ito nagbabago sa panahon ng isang pagbangga, i.e. Ang pagkawala ng enerhiya ng elektron ay hindi nangyayari! Ang ganitong mga pares ng elektron ay tinatawag na mga pares ng Cooper.

Sa pangkalahatan, mahirap maunawaan para sa isang tao na may itinatag na mga pisikal na ideya. Mas madali para sa iyo na maunawaan, kahit papaano maaari mo itong bigyang-pansin.

Superconductivitypati na rin kalabisanay natagpuan sa mga eksperimento sa mga ultra-mababang temperatura, malapit sa ganap na zero na temperatura. Habang papalapit ka sa ganap na zero, nag-freeze ang mga vibration ng lattice. Ang paglaban sa kasalukuyang daloy ay bumababa kahit na ayon sa klasikal na teorya, ngunit sa zero sa isang tiyak na kritikal na temperatura T_kasama, bumababa lamang ito ayon sa mga batas sa kabuuan.

Ang superconductivity ay natuklasan ng dalawang mga kababalaghan: una, sa katotohanan ng pagkawala ng paglaban sa elektrikal, at pangalawa, sa diamagnetism. Ang unang kababalaghan ay malinaw - kung pumasa ka sa isang tiyak na kasalukuyang Ako sa pamamagitan ng conductor, pagkatapos ng pagbagsak ng boltahe U sa conductor maaari mong matukoy ang paglaban R = U / I. Ang paglaho ng pag-igting ay nangangahulugan ng pagkawala ng pagtutol tulad ng.

Ang pangalawang kababalaghan ay nangangailangan ng mas detalyadong pagsasaalang-alang. Ang lohikal, ang kakulangan ng paglaban ay magkapareho sa ganap na diamagnetic na kalikasan ng materyal. Sa katunayan, isipin ang isang maliit na karanasan. Ipakikilala namin ang superconducting material sa rehiyon ng magnetic field. Ayon sa batas ng Joule-Lenz, ang isang kasalukuyang dapat mangyari sa konduktor na ganap na bumabayad para sa pagbabago sa magnetic flux, i.e. ang magnetic flux sa pamamagitan ng superconductor ay parehong zero at nananatiling zero. Sa isang maginoo conductor, ang kasalukuyang pagkabulok, dahil ang conductor ay may pagtutol. Pagkatapos lamang nito ang isang magnetic field ay tumagos sa conductor. Sa isang superconductor, hindi ito kumukupas.Nangangahulugan ito na ang dumadaloy na kasalukuyang humahantong sa isang kumpletong kabayaran ng magnetic field sa loob mismo, i.e. ang patlang ay hindi tumagos dito. Mula sa isang pormal na pananaw, ang isang patlang na zero ay nangangahulugan na ang magnetic pagkamatagusin ng materyal ay zero, m = 0 i.e. ang katawan ay nagpapakita ng sarili bilang isang ganap na diamagnet.

Gayunpaman, ang mga hindi pangkaraniwang bagay na ito ay katangian lamang para sa mahina na mga magnetikong larangan. Ito ay lumiliko na ang isang malakas na magnetic field ay maaaring tumagos sa materyal, bukod dito, sinisira nito ang superconductivity mismo! Ipakilala ang konsepto ng kritikal na larangan B_kasamana sumisira sa isang superconductor. Ito ay nakasalalay sa temperatura: maximum sa isang temperatura na malapit sa zero, nawawala sa paglipat sa isang kritikal na temperatura T_kasama. Bakit mahalaga para sa atin na malaman ang pag-igting (o induction) kung saan nawawala ang superconductivity? Ang katotohanan ay kapag ang isang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng isang superconductor, ang isang magnetic field ay pisikal na nilikha sa paligid ng conductor, na dapat kumilos sa conductor.

Halimbawa, para sa isang cylindrical conductor ng radius r na inilagay sa isang daluyan na may magnetic permeability m, magnetic induction sa ibabaw alinsunod sa batas ng Bio-Savard-Laplace ay magiging

B = m₀× m ×Ako / 2pr (1)

Ang mas malaki ang kasalukuyang, mas malaki ang bukid. Kaya, sa ilang induction (o pag-igting), ang superconductivity ay nawawala, at samakatuwid, ang isang kasalukuyang mas mababa kaysa sa kung saan ay lumilikha ng kritikal na induction ay maaaring dumaan sa conductor.

Kaya, para sa isang superconducting material, mayroon kaming dalawang mga parameter: kritikal na magnetic field induction B_kasama at kritikal na temperatura T_kasama.  

Para sa mga metal, ang mga kritikal na temperatura ay malapit sa ganap na zero na temperatura. Ito ang lugar ng tinatawag na Ang mga "helium" na temperatura, na maihahambing sa kumukulong punto ng helium (4.2 K). Tungkol sa kritikal na induction, masasabi nating medyo maliit ito. Maaari itong ihambing sa induction sa mga transformer (1-1.5 T). O halimbawa sa induction malapit sa kawad. Halimbawa, kinakalkula namin ang induction sa hangin malapit sa isang wire na may radius na 1 cm na may kasalukuyang 100 A.

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

Ang pagsulat sa pagpapahayag (1) nakukuha namin ang B = 2 mT, i.e., isang halagang tinatayang naaangkop sa kritikal. Nangangahulugan ito na kung ang tulad ng isang conductor ay inilalagay sa isang linya ng kuryente, halimbawa 6 kV, kung gayon ang maximum na lakas na maaaring maipasa sa bawat yugto ay P_m = U_f· Ako = 600 kW. Ang halimbawa na isinasaalang-alang ay nagpapakita na ang intrinsic magnetic field ay nililimitahan ang kakayahang maglipat ng kapangyarihan sa pamamagitan ng isang cryogen wire. Bukod dito, ang mas malapit na temperatura sa kritikal na temperatura, mas mababa ang kritikal na halaga ng induction.

Mga mababang superconductor ng temperatura

Sa itaas, nakatuon na ako sa ilang mga tiyak na superconducting na materyales. Sa prinsipyo, ang pag-aari ng superconductivity ay katangian ng halos lahat ng mga materyales. Lamang para sa pinaka electrical conductive - tanso, pilak (kabalintunaan?) Hindi nakita ang superconductivity. Ang tiyak na aplikasyon ng superconductivity sa sektor ng enerhiya ay nakatutukso: ang pagkakaroon ng mga walang linya ng kuryente ay magiging kahanga-hanga. Ang isa pang application ay isang generator na may superconducting windings. Ang isang halimbawa ng tulad ng isang generator ay binuo sa St. Petersburg, at ang matagumpay na pagsubok ay isinagawa. Ang pangatlong pagpipilian ay isang electromagnet, ang induction kung saan maaaring kontrolado sa isang kinokontrol na paraan depende sa kasalukuyang lakas.

Ang isa pang halimbawa ay isang superconducting inductive storage. Isipin ang isang malaking likid ng superconducting conductor. Kung iniksyon mo ang kasalukuyang sa ito sa ilang mga paraan at isara ang mga wire at input ng output, pagkatapos ang kasalukuyang sa likid ay dumadaloy nang walang hanggan. Alinsunod sa isang kilalang batas, ang enerhiya ay mapapaloob sa isang coil

W = l× Ako²/2

saan L- indilansong coil. Hypothetically, maiisip ng isang tao na sa isang oras sa oras ay may labis na enerhiya sa sistema ng enerhiya, ang enerhiya ay nakuha mula dito sa isang aparato na imbakan. Narito ito ay naka-imbak para sa hangga't kinakailangan hanggang sa kailangan ng enerhiya. Pagkatapos ito ay unti-unti, mapigil na pumped pabalik sa sistema ng kuryente.

Sa pisika at teknolohiya ng superconductivity, mayroon ding mga mababang-kasalukuyang mga analog ng mga elemento ng radyo ng maginoo electronics. Halimbawa, sa mga sistemang "superconductor - isang manipis na layer ng resistive metal (o dielectric) - superconductor" isang bilang ng mga bagong pisikal na epekto ay posible na ginagamit na sa mga electronics. Ito ang dami ng magnetic flux sa isang singsing na naglalaman ng tulad ng isang elemento, ang posibilidad ng isang biglaang pagbabago sa kasalukuyang depende sa boltahe kapag ang system ay nakalantad sa mahina na radiation, at ang mga karaniwang mapagkukunan ng boltahe na binuo sa prinsipyong ito na may isang kawastuhan ng 10^-10 B. Bilang karagdagan, mayroong mga elemento ng imbakan, mga analog-to-digital na Converter, atbp. Mayroong kahit na ilang mga disenyo ng computer ng superconductor.

Ang pagkadali ng problema ng microminiaturization gamit ang semiconductors ay kahit na ang isang maliit na paglabas ng enerhiya sa isang napakaliit na dami ay maaaring humantong sa makabuluhang sobrang pag-init at ang problema ng pagwawaldas ng init ay talamak.

Ang problemang ito ay partikular na nauugnay sa mga supercomputers. Ito ay lumiliko na ang mga microchips lokal na mga flu flu heat ay maaaring umabot sa kilowatt per square sentimeter. Hindi posible na alisin ang init sa karaniwang paraan, sa pamamagitan ng pamumulaklak ng hangin. Iminungkahi nila ang pag-alis ng kaso ng microcircuits at direktang pamumulaklak ng microcrystal. Narito ang problema ng hindi magandang paglipat ng init sa hangin ay bumangon. Ang susunod na hakbang ay punan ang lahat ng likido at alisin ang init sa pamamagitan ng kumukulo ng likido sa mga elementong ito. Ang likido ay dapat na malinis, hindi naglalaman ng mga microparticle, hindi hugasan ang alinman sa maraming mga elemento ng computer. Sa ngayon, ang mga isyung ito ay hindi pa ganap na nalutas. Ang pananaliksik ay isinasagawa kasama ang mga organofluorine fluid.

Sa mga superconducting computer, walang mga ganoong problema, dahil walang pagkawala. Gayunpaman, ang paglamig ng kagamitan sa mga cryogen temperatura ay nangangailangan ng maraming gastos. Bukod dito, ang mas malapit sa ganap na zero - mas malaki ang gastos. Bukod dito, ang pag-asa ay nonlinear, mas malakas ito kaysa sa hindi mabababang proporsyonal na pag-asa.

Ang scale ng temperatura sa rehiyon ng cryogen ay kombensyon na nahahati sa ilang mga lugar ayon sa kumukulo na mga punto ng mga likidong gas: helium (sa ibaba 4.2 K), hydrogen 20.5 K, nitrogen 77 K, oxygen 90 K, ammonia (-33 °C) Kung posible na makahanap ng isang materyal na may isang punto ng kumukulo malapit o sa itaas ng hydrogen, ang gastos ng pagpapanatili ng cable sa kondisyon ng pagtatrabaho ay magiging sampung beses na mas mababa kaysa sa mga temperatura ng helium. Sa paglipat sa mga temperatura ng nitrogen, magkakaroon ng pakinabang sa pamamagitan ng maraming mga order ng magnitude. Samakatuwid, ang mga superconducting na materyales na nagpapatakbo sa temperatura ng helium, kahit na natuklasan sila ng higit sa 80 taon na ang nakalilipas, hindi pa rin natagpuan ang aplikasyon sa sektor ng enerhiya.

Maaaring mapapansin na ang kasunod na mga pagtatangka upang makabuo ng isang operating cryogenic na aparato ay ginawa pagkatapos ng bawat isa sa mga tagumpay sa teknolohiya. Ang mga pagsulong sa teknolohiya ay humantong sa mga haluang metal na may pinakamahusay na kritikal na katangian ng induction at temperatura.

Kaya't sa unang bahagi ng 70s nagkaroon ng boom sa pag-aaral ng stannide niobium Nb₃Sn. Mayroon siyang B_kasama = 22 T, at T_kasama= 18 K. Gayunpaman, sa mga superconductors na ito, kaibahan sa mga metal, ang kumplikado ng epekto ng superconductivity. Ito ay lumiliko na mayroon silang dalawang mga halaga ng kritikal na tensyon B_c0 at B_s1.  

Sa agwat sa pagitan ng mga ito, ang materyal ay walang pagtutol sa direktang kasalukuyang, ngunit may isang hangganan na pagtutol sa alternatibong kasalukuyang. At bagaman In_c0 sapat na malaki, ngunit ang mga halaga ng pangalawang kritikal na induction B_s1 naiiba ng kaunti sa mga kaukulang halaga para sa mga metal. Ang "simpleng" superconductors ay tinatawag na superconductors ng unang uri, at "kumplikado" - mga superconductor ng pangalawang uri.

Ang mga bagong intermetallic compound ay walang pag-agos ng mga metal, kaya ang tanong ay sabay-sabay na nalutas kung paano gumawa ng mga pinalawig na elemento tulad ng mga wire mula sa malutong na materyales.Maraming mga pagpipilian ang binuo, kasama ang paglikha ng mga composite tulad ng isang layer ng cake na may mga plastik na metal, tulad ng tanso, ang pag-aalis ng mga intermetal sa isang substrate na tanso, atbp, na kung saan ay kapaki-pakinabang sa pagbuo ng mga superconducting keramika.

Superconducting ceramics

Ang susunod na radikal na hakbang sa pag-aaral ng superconductivity ay isang pagtatangka upang makahanap ng superconductivity sa mga system ng oxide. Ang hindi malinaw na ideya ng mga nag-develop ay sa mga system na naglalaman ng mga sangkap na may variable na bilis ng superconductivity posible, at sa mas mataas na temperatura. Binary system, i.e. na binubuo ng dalawang magkakaibang mga oxides. Hindi posible na makahanap ng superconductivity. At sa mga triple system lamang Bao-la₂O₃-CuO noong 1986, napansin ang superconductivity sa temperatura ng 30-35 K. Para sa gawaing ito, natanggap ng Bednorts at Muller ang Nobel Prize sa mga sumusunod, (!!) 1987

Ang masidhing pag-aaral ng mga kaugnay na compound sa taon ay humantong sa pagtuklas ng superconductivity sa system Bao-y₂O₃-CuO sa temperatura ng 90 K. Sa katunayan, ang superconductivity ay nakuha sa isang mas kumplikadong sistema, ang pormula ng kung saan ay maaaring kinakatawan bilang Yba₂Si Cu₃O_7-d. Halaga d para sa pinakamataas na temperatura superconducting material ay 0.2. Nangangahulugan ito hindi lamang isang tiyak na porsyento ng mga panimulang oxides, kundi pati na rin isang pinababang nilalaman ng oxygen.

Sa katunayan, kung kinakalkula mo sa pamamagitan ng lakas, pagkatapos yttrium - 3, barium - dalawa, tanso 1 o 2. Kung gayon ang mga metal ay may kabuuang tibay ng 10 o 13, at ang oxygen ay may kaunting mas mababa sa 14. Samakatuwid, sa ceramic na ito ay mayroong labis na oxygen na kamag-anak sa stoichiometric ugnayan.

Ang mga keramika ay ginawa gamit ang maginoo na teknolohiya ng ceramik. Paano gumawa ng mga wire mula sa isang marupok na sangkap? Isang paraan, ang isang pagsuspinde ng pulbos ay ginawa sa isang angkop na solvent, pagkatapos ay ang solusyon ay pinilit sa pamamagitan ng isang mamatay, tuyo at sugat sa isang tambol. Ang pangwakas na pag-alis ng ligament ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagkasunog, handa na ang kawad. Mga katangian ng naturang mga hibla: kritikal na temperatura 90-82 K, sa 100 K r= 12 mOhm · cm, (tinatayang tulad ng grapayt), kritikal na kasalukuyang density 4000 A / m².

Manatili tayo sa huling numero. Ang halagang ito ay napakababa para magamit sa sektor ng enerhiya. Ang paghahambing sa pang-ekonomiyang kasalukuyang density (~1 A / mm²), makikita na sa mga keramika ang kasalukuyang density ay 250 beses na mas mababa. Sinisiyasat ng mga siyentipiko ang isyung ito at natapos na ang mga contact na hindi superconducting ay sisihin. Sa katunayan, ang mga solong kristal ay nakakuha ng kasalukuyang mga density na umaabot sa density ng pang-ekonomiya. At sa huling dalawa o tatlong taon, nakuha ang mga ceramic wires na ang kasalukuyang density ay lumampas sa density ng pang-ekonomiyang kasalukuyang.

Noong 1999, isang superconducting cable na nagkokonekta sa dalawang istasyon ng metro ay naatasan sa Japan. Ang cable ay ginawa gamit ang teknolohiya ng "sandwich", i.e. ang marupok na mga keramika sa loob nito ay matatagpuan sa pagitan ng dalawang layer ng nababanat at ductile tanso. Ang pagkakabukod at, sa parehong oras, ang nagpapalamig ay likido na nitrogen.

Ano sa palagay mo ang isa sa mga pangunahing problema sa cable na ito? Maaari mong hulaan ang mga isyung ito ay tinalakay dati na may kaugnayan sa paghihiwalay. Ito ay lumiliko na ang pagkawala ng dielectric sa tulad ng isang kamangha-manghang dielectric habang ang likido na nitrogen ay nagpainit dito, na nangangailangan ng patuloy na pangangalaga para sa karagdagang paglamig.

Ngunit akohuwag sumuko, at ayon sa mga ahensya ng balita sa Japan, nilalayon ng TEPCO na lumikha ng unang network ng superconducting para sa paghahatid ng kuryente sa mga gusali ng tirahan. Sa unang yugto, humigit-kumulang 300 kilometro ng naturang mga cable ang ilalagay sa Yokohama, na saklaw ang halos kalahating milyong gusali!