Yakın gelecekte, tüm güç kabloları süper iletken malzemelerden yapılacaktır.

Süperiletkenlik prensibi. Manyetik alan etkisi

İletkenlerdeki akım akışı her zaman enerji kayıpları ile ilişkilidir, yani. enerjinin elektrik enerjisinden termal enerjiye geçişi ile. Bu geçiş geri döndürülemez, ters geçiş sadece işin tamamlanması ile ilişkilidir, çünkü termodinamik bundan bahseder. Bununla birlikte, termal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme ve sözde enerji kullanma olasılığı vardır. termoelektrik etki, iki iletkenin iki teması kullanıldığında, biri ısıtılır ve diğeri soğutulur.

Aslında ve bu gerçek şaşırtıcıdır, belirli koşullar altında akım akışı sırasında enerji kaybının olmadığı bir dizi iletken vardır! Klasik fizikte bu etki açıklanamaz.

Klasik elektronik teoriye göre, bir yük taşıyıcının hareketi, yapısal bir kusur veya bir kafes titreşimi ile çarpışana kadar eşit olarak hızlandırılmış bir elektrik alanında meydana gelir. Bir çarpışmadan sonra, eğer esnek değilse, iki hamuru topun çarpışması gibi, bir elektron enerji kaybeder ve bir metal atomu kafesine aktarır. Bu durumda, prensip olarak, süperiletkenlik olamaz.

Süper iletkenliğin sadece kuantum etkileri dikkate alındığında ortaya çıktığı ortaya çıktı. Hayal etmek zor. Süperiletkenlik mekanizması hakkında bazı zayıf fikirler aşağıdaki hususlardan elde edilebilir.

Elektronun kendisine en yakın kafesin atomunu polarize edebileceği göz önüne alındığında, yani. Coulomb kuvvetinin etkisi nedeniyle hafifçe kendinize doğru çekin, o zaman bu kafes atomu bir sonraki elektronu hafifçe kaydırır. Bir çift elektronun bir bağı oluşur.

Elektron hareket ettiğinde, çiftin ikinci bileşeni, elektronun kafesin atomuna aktardığı enerjiyi algılar. Bir çift elektronun enerjisini hesaba katarsak, bir çarpışma sırasında değişmediği ortaya çıkar, yani. elektron enerji kaybı olmaz! Bu elektron çiftlerine Cooper çiftleri denir.

Genel olarak, yerleşik fiziksel fikirleri olan bir kişiyi anlamak zordur. Anlamanız daha kolay, en azından bunu kabul edersiniz.

süper iletkenlikayrıca süperakışkanlıkultra düşük sıcaklıklarda, mutlak sıfır sıcaklıklara yakın deneylerde bulundu. Mutlak sıfıra yaklaştıkça, kafes titreşimleri donar. Akım akışına direnç klasik teoriye göre bile azalır, ancak belirli bir kritik sıcaklıkta sıfıra düşer T_ileyalnızca kuantum yasalarına göre azalır.

Süperiletkenlik iki fenomen tarafından keşfedildi: ilk olarak, elektrik direncinin ortadan kalkması ve ikinci olarak diyamanyetizma. İlk fenomen açıktır - belirli bir akımı geçerseniz ben iletken boyunca, sonra voltaj düşüşüyle U iletken üzerinde direnci belirleyebilirsiniz R = U / I. Gerilimin kaybolması, direncin bu şekilde kaybolması anlamına gelir.

İkinci fenomen daha ayrıntılı düşünmeyi gerektirir. Mantıksal olarak, direnç eksikliği malzemenin mutlak diyamanyetik doğası ile aynıdır. Gerçekten de küçük bir deneyim hayal edin. Manyetik alan bölgesine süper iletken malzeme tanıtacağız. Joule-Lenz yasasına göre, iletkende manyetik akıdaki değişikliği tamamen telafi eden bir akım oluşmalıdır, yani. süperiletken içinden geçen manyetik akı hem sıfırdı hem de sıfır kaldı. Geleneksel bir iletkende, bu akım bozulur, çünkü iletken bir dirence sahiptir. Ancak bundan sonra manyetik alan iletkene nüfuz eder. Bir süperiletkende solmaz.Bu, akan akımın kendi içindeki manyetik alanın tamamen dengelenmesine, yani alan içine nüfuz etmez. Resmi bir bakış açısından, sıfır alan, malzemenin manyetik geçirgenliğinin sıfır olduğu anlamına gelir, m = 0 yani. vücut kendini mutlak bir diamagnet olarak gösterir.

Bununla birlikte, bu fenomenler sadece zayıf manyetik alanlar için karakteristiktir. Güçlü bir manyetik alanın malzemeye nüfuz edebileceği ortaya çıkıyor, üstelik süperiletkenliği de yok ediyor! Kritik alan B kavramını tanıtmak_ilebir süper iletkeni yok eder. Sıcaklığa bağlıdır: sıfıra yakın bir sıcaklıkta maksimum, kritik bir sıcaklığa geçişte kaybolur T_ile. Süperiletkenliğin ortadan kalktığı gerilimi (veya indüksiyonu) bilmek bizim için neden önemlidir? Gerçek şu ki, bir akım bir süperiletken içinden aktığında, iletken üzerinde fiziksel olarak iletken üzerinde hareket etmesi gereken bir manyetik alan oluşturulur.

Örneğin, manyetik geçirgenliğe sahip bir ortama yerleştirilmiş yarıçaplı r yarıçaplı r iletken için m, Bio-Savard-Laplace yasasına uygun olarak yüzeyde manyetik indüksiyon olacaktır.

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Akım ne kadar büyük olursa, alan o kadar büyük olur. Böylece, bazı indüksiyon (veya gerginlik) ile süperiletkenlik kaybolur ve bu nedenle, sadece kritik indüksiyon oluşturandan daha düşük bir akım iletkenden geçirilebilir.

Böylece, süper iletken bir malzeme için iki parametremiz vardır: kritik manyetik alan indüksiyonu B_ile ve kritik sıcaklık T_ile.  

Metaller için kritik sıcaklıklar mutlak sıfır sıcaklıklara yakındır. Bu sözde alan “Helyum” sıcaklıkları, helyumun kaynama noktasıyla (4,2 K) karşılaştırılabilir. Kritik indüksiyon ile ilgili olarak, nispeten küçük olduğunu söyleyebiliriz. Transformatörlerdeki endüksiyonla karşılaştırılabilir (1-1,5 T). Veya örneğin telin yakınında indüksiyon ile. Örneğin, 100 cm akım ile 1 cm yarıçaplı bir telin yakınındaki havadaki indüksiyonu hesaplıyoruz.

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

İfadeye (1) geçerek B = 2 mT, yani yaklaşık kritik değere karşılık gelen bir değer elde ederiz. Bu, böyle bir iletken bir güç hattına, örneğin 6 kV'ye konulursa, her fazdan iletilebilecek maksimum gücün P olacağı anlamına gelir._m = U_f· Ben = 600 kW. Dikkate alınan örnek, iç manyetik alanın gücü kriyojenik bir telden aktarma yeteneğini sınırladığını göstermektedir. Ayrıca, sıcaklık kritik sıcaklığa ne kadar yakın olursa, kritik indüksiyon değeri o kadar düşük olur.

Düşük sıcaklık süper iletkenleri

Yukarıda, bazı özel süper iletken malzemelere odaklanmıştım. Prensip olarak, süperiletkenliğin özelliği neredeyse tüm malzemelerin karakteristiğidir. Sadece en elektriksel olarak iletken - bakır, gümüş (paradoks?) İçin Süper iletkenlik algılanmaz. Enerji sektöründe süperiletkenliğin spesifik uygulaması caziptir: kayıpsız güç hatlarına sahip olmak harika olurdu. Başka bir uygulama, süper iletken sargılara sahip bir jeneratördür. Petersburg'da böyle bir jeneratörün bir örneği geliştirildi ve başarılı testler yapıldı. Üçüncü seçenek, indüksiyonunun akım gücüne bağlı olarak kontrollü bir şekilde kontrol edilebilen bir elektromıknatıstır.

Başka bir örnek, süperiletken bir endüktif depolanmadır. Süper iletken iletkenin büyük bir bobinini hayal edin. Bir şekilde akım enjekte ederseniz ve giriş ve çıkış kablolarını kapatırsanız, bobindeki akım süresiz olarak akacaktır. İyi bilinen bir yasaya göre, enerji bir bobin içine alınacaktır

W = l× ben²/2

nerede L- bobin endüktansı. Varsayımsal olarak, bir zamanlar enerji sisteminde aşırı enerjinin olduğu, enerjinin ondan böyle bir depolama cihazına alındığını hayal edebiliriz. Burada enerji ihtiyacına kadar gerektiği kadar saklanır. Sonra yavaş yavaş, kontrol edilebilir bir şekilde güç sistemine geri pompalanır.

Fizikte ve süperiletkenlik teknolojisinde, geleneksel elektroniklerin radyo elemanlarının düşük akım analogları da vardır. Örneğin, “süperiletken - ince bir dirençli metal tabakası (veya dielektrik) - süperiletken” sistemlerinde, elektronikte halihazırda kullanılan bir dizi yeni fiziksel etki mümkündür. Bu, böyle bir eleman içeren bir halkadaki manyetik akının nicelenmesi, sisteme zayıf bir radyasyon uygulandığında voltaja bağlı olarak ani bir değişiklik olasılığı ve bu prensip üzerine 10 doğrulukla inşa edilen standart voltaj kaynaklarıdır.^-10 B. Ek olarak, depolama elemanları, analogdan dijitale dönüştürücüler vb. Vardır. Hatta birkaç süperiletken bilgisayar tasarımı var.

Yarı iletkenler kullanarak mikrominiatürizasyon probleminin aciliyeti, çok küçük bir hacimde küçük bir enerji salınımı bile önemli ölçüde aşırı ısınmaya neden olabilir ve ısı dağılımı probleminin akut olmasıdır.

Bu sorun özellikle süper bilgisayarlar için geçerlidir. Mikroçiplerin yerel ısı akılarının santimetre kare başına kilovatlara ulaşabileceği ortaya çıkıyor. Havayı üfleyerek ısıyı normal şekilde çıkarmak mümkün değildir. Mikro devreler vakasının kaldırılmasını ve doğrudan mikrokristalin üflenmesini önerdiler. Burada havaya zayıf ısı transferi sorunu ortaya çıktı. Bir sonraki adım, her şeyi sıvı ile doldurmak ve sıvıyı bu elementlerin üzerine kaynatmak suretiyle ısıyı çıkarmaktı. Sıvı çok temiz olmalı, mikropartiküller içermemeli, bilgisayarın birçok elementinden herhangi birini yıkamamalıdır. Şimdiye kadar, bu sorunlar tam olarak çözülemedi. Araştırma organoflorin sıvıları ile yapılır.

Süperiletken bilgisayarlarda böyle bir sorun yoktur, çünkü kayıp yok. Bununla birlikte, ekipmanı kriyojenik sıcaklıklara soğutmak çok fazla maliyet gerektirir. Dahası, mutlak sıfıra ne kadar yakınsa, maliyet o kadar yüksek olur. Dahası, bağımlılık doğrusal değildir, ters orantılı bağımlılıktan bile daha güçlüdür.

Kriyojenik bölgedeki sıcaklık ölçeği geleneksel olarak sıvılaştırılmış gazların kaynama noktalarına göre çeşitli alanlara ayrılır: helyum (4.2 K altında), hidrojen 20.5 K, azot 77 K, oksijen 90 K, amonyak (-33 °C). Kaynama noktası hidrojenin yakınında veya üzerinde bir malzeme bulmak mümkün olsaydı, kablonun çalışma durumunda tutulması maliyeti helyum sıcaklıklarından on kat daha az olurdu. Azot sıcaklıklarına geçiş üzerine, birkaç büyüklük derecesinde bir kazanç olacaktır. Bu nedenle, 80 yıldan uzun bir süre önce keşfedilmelerine rağmen, helyum sıcaklıklarında çalışan süper iletken malzemeler hala enerji sektöründe uygulama bulamamıştır.

Operasyonel bir kriyojenik cihaz geliştirmeye yönelik müteakip girişimlerin, teknolojideki her bir atılımdan sonra yapıldığı not edilebilir. Teknolojideki ilerlemeler, en iyi kritik indüksiyon ve sıcaklık özelliklerine sahip alaşımlara yol açmıştır.

70'lerin başında stannide niyobyum çalışmasında bir patlama oldu Nb₃Sn. B'si var_ile = 22 T ve T_ile= 18 K. Bununla birlikte, bu süperiletkenlerde, metallerin aksine, süperiletkenliğin etkisi daha karmaşıktır. Kritik gerginlik B'nin iki değeri olduğu ortaya çıktı_c0 ve B_c1.  

Aralarındaki boşlukta, malzemenin doğru akıma karşı direnci yoktur, ancak alternatif akıma karşı sınırlı bir direnci vardır. Ve rağmen_c0 yeterince büyük, ancak ikinci kritik indüksiyon B'nin değerleri_c1 metaller için karşılık gelen değerlerden çok az farklıdır. "Basit" süperiletkenlere birinci tür süperiletkenler ve "karmaşık" - ikinci tür süperiletkenler denir.

Yeni intermetalik bileşiklerin metallerin sünekliği yoktur, bu nedenle kırılgan malzemelerden teller gibi genişletilmiş elemanların nasıl yapılacağı sorusu aynı anda çözülmüştür.Süper iletken seramiklerin geliştirilmesinde yararlı olan bakır gibi plastik metallerle bir tabaka kek, intermetallerin bir bakır substrat üzerine birikmesi, vb. Gibi kompozitlerin oluşturulması dahil olmak üzere çeşitli seçenekler geliştirilmiştir.

Süper iletken seramikler

Süperiletkenlik çalışmasındaki bir sonraki radikal adım, oksit sistemlerinde süperiletkenliği bulma girişimidir. Geliştiricilerin belirsiz fikri, değişken değerlikli maddeler içeren sistemlerde süperiletkenliğin mümkün olduğu ve daha yüksek sıcaklıklarda olduğuydu. İkili sistemler, yani. iki farklı oksit içerir. Süperiletkenlik bulmak mümkün değildi. Ve sadece üçlü sistemlerde BaO-La₂Ey₃-CuO 1986'da süperiletkenlik 30-35 K sıcaklıkta tespit edildi. Bu çalışma için Bednorts ve Muller, aşağıdaki Nobel Ödülü'nü aldılar, (!!) 1987

Yıl boyunca ilgili bileşiklerin yoğun çalışmaları, sistemde süper iletkenliğin keşfedilmesine yol açtı BaO-Y₂Ey₃-CuO Aslında, süperiletkenlik, formülü olarak temsil edilebilecek daha karmaşık bir sistemde elde edilir. YBA₂Cu₃Ey_7-d. değer d en yüksek sıcaklık için süper iletken malzeme 0.2'dir. Bu, başlangıç ​​oksitlerinin sadece belirli bir yüzdesi değil, aynı zamanda azaltılmış oksijen içeriği anlamına da gelir.

Gerçekten de, değerlik ile hesaplarsanız, itriyum - 3, baryum - iki, bakır 1 veya 2. Daha sonra metallerin toplam değeri 10 veya 13'tür ve oksijen 14'ten biraz daha azdır. Bu nedenle, bu seramikte stokiyometriye göre fazla oksijen vardır. oranı.

Seramikler, geleneksel seramik teknolojisi kullanılarak üretilmektedir. Kırılgan bir maddeden teller nasıl yapılır? Bir şekilde, bir toz süspansiyonu uygun bir çözücü içinde yapılır, daha sonra çözelti bir kalıptan geçirilir, kurutulur ve bir tambur üzerine sarılır. Bağın son olarak çıkarılması yanarak gerçekleştirilir, tel hazırdır. Bu tür liflerin özellikleri: kritik sıcaklıklar 90-82 K, 100 K'da r= 12 mOhm · cm, (yaklaşık grafit gibi), kritik akım yoğunluğu 4000 A / m².

Son basamak üzerinde duralım. Bu değer enerji sektöründe kullanım için son derece düşüktür. Ekonomik akım yoğunluğu (~1 A / mm²), seramiklerde akım yoğunluğunun 250 kat daha düşük olduğu görülmektedir. Bilim adamları bu konuyu araştırdılar ve süper iletken olmayan temasların suçlanacağı sonucuna vardılar. Gerçekten de, tek kristaller ekonomik akım yoğunluğuna ulaşan akım yoğunluklarını elde etmişlerdir. Ve son iki veya üç yılda, akım yoğunluğu ekonomik akım yoğunluğunu aşan seramik teller elde edilmiştir.

1999'da Japonya'da iki metro istasyonunu birbirine bağlayan bir süper iletken kablo devreye alındı. Kablo, "sandviç" teknolojisi kullanılarak yapılır, yani. içindeki kırılgan seramikler elastik ve sünek bakırın iki tabakası arasında bulunur. İzolasyon ve aynı zamanda soğutucu akışkan sıvı azottur.

Sizce bu kablo ile ilgili temel sorunlardan biri nedir? Bu konuların izolasyonla ilgili daha önce tartışıldığını tahmin edebilirsiniz. Sıvı azot gibi harika bir dielektrikteki dielektrik kaybının onu ısıtır, bu da ek soğutma için sürekli bakım gerektirir.

Ama benpes etmeyin ve Japonya'daki haber ajanslarına göre TEPCO, konut binalarına elektrik sağlamak için ilk süper iletken ağları kurmayı planlıyor. İlk aşamada, yaklaşık yarım milyon binayı kapsayacak Yokohama'da yaklaşık 300 kilometre kablo döşenecek!