Trong tương lai gần, tất cả các dây cáp điện sẽ được làm bằng vật liệu siêu dẫn

Nguyên lý siêu dẫn. Hiệu ứng từ trường

Dòng điện trong dây dẫn luôn đi kèm với tổn thất năng lượng, tức là với sự chuyển đổi năng lượng từ điện sang nhiệt. Quá trình chuyển đổi này là không thể đảo ngược, quá trình chuyển đổi ngược lại chỉ liên quan đến việc hoàn thành công việc, vì nhiệt động lực học nói về điều này. Tuy nhiên, có khả năng chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và sử dụng cái gọi là hiệu ứng nhiệt điện, khi hai tiếp điểm của hai dây dẫn được sử dụng, một trong số đó được làm nóng và cái còn lại được làm mát.

Trong thực tế, và thực tế này là đáng ngạc nhiên, có một số dây dẫn trong đó, trong những điều kiện nhất định, không có sự mất năng lượng trong dòng chảy của dòng điện! Trong vật lý cổ điển, hiệu ứng này là không thể giải thích được.

Theo lý thuyết điện tử cổ điển, chuyển động của một hạt mang điện xảy ra trong một điện trường được gia tốc đồng đều cho đến khi nó va chạm với một khiếm khuyết cấu trúc hoặc với một rung động mạng. Sau một vụ va chạm, nếu nó không co giãn, giống như sự va chạm của hai quả bóng plasticine, một electron sẽ mất năng lượng, chuyển nó sang một mạng các nguyên tử kim loại. Trong trường hợp này, về nguyên tắc, không thể có tính siêu dẫn.

Nó chỉ ra rằng tính siêu dẫn chỉ xuất hiện khi các hiệu ứng lượng tử được tính đến. Thật khó để tưởng tượng nó. Một số ý tưởng yếu về cơ chế siêu dẫn có thể thu được từ các xem xét sau.

Hóa ra, cho rằng electron có thể phân cực nguyên tử của mạng gần nó nhất, tức là kéo nó về phía bạn một chút do tác động của lực Coulomb, sau đó nguyên tử mạng này sẽ hơi dịch chuyển electron tiếp theo. Một liên kết của một cặp electron được hình thành, như nó đã được.

Khi electron di chuyển, thành phần thứ hai của cặp, như đã từng, nhận thấy năng lượng mà electron chuyển đến nguyên tử của mạng tinh thể. Nó chỉ ra rằng nếu chúng ta tính đến năng lượng của một cặp electron, thì nó không thay đổi trong một vụ va chạm, tức là mất năng lượng điện tử không xảy ra! Các cặp electron như vậy được gọi là cặp Cooper.

Nói chung, thật khó hiểu cho một người có ý tưởng vật lý được thiết lập. Nó dễ hiểu hơn cho bạn, ít nhất bạn có thể coi đó là điều hiển nhiên.

Siêu dẫncũng như siêu lỏngđã được tìm thấy trong các thí nghiệm ở nhiệt độ cực thấp, gần nhiệt độ không tuyệt đối. Khi bạn tiến gần đến độ không tuyệt đối, các dao động mạng đóng băng. Khả năng chống lại dòng chảy giảm ngay cả theo lý thuyết cổ điển, nhưng về 0 ở nhiệt độ tới hạn nhất định T_với, nó chỉ giảm theo định luật lượng tử.

Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện bởi hai hiện tượng: thứ nhất, trên thực tế về sự biến mất của điện trở, và thứ hai, về diamagnetism. Hiện tượng đầu tiên rất rõ ràng - nếu bạn vượt qua một dòng điện nhất định Tôi thông qua các dây dẫn, sau đó bởi sự sụt giảm điện áp Bạn trên dây dẫn bạn có thể xác định điện trở R = U / tôi Sự biến mất của căng thẳng có nghĩa là sự biến mất của kháng chiến như vậy.

Hiện tượng thứ hai đòi hỏi phải xem xét chi tiết hơn. Về mặt logic, việc thiếu điện trở giống hệt với tính chất diamag từ tuyệt đối của vật liệu. Thật vậy, hãy tưởng tượng một chút kinh nghiệm. Chúng tôi sẽ giới thiệu vật liệu siêu dẫn vào khu vực của từ trường. Theo định luật Joule-Lenz, một dòng điện phải xảy ra trong dây dẫn hoàn toàn bù cho sự thay đổi của từ thông, tức là từ thông qua chất siêu dẫn đều bằng không và vẫn bằng không. Trong một dây dẫn thông thường, dòng điện này phân rã, bởi vì dây dẫn có điện trở. Chỉ sau đó một từ trường xuyên qua dây dẫn. Trong một chất siêu dẫn, nó không phai.Điều này có nghĩa là dòng chảy dẫn đến sự bù hoàn toàn của từ trường bên trong chính nó, tức là lĩnh vực không thâm nhập vào nó. Từ quan điểm chính thức, trường 0 có nghĩa là tính thấm từ của vật liệu bằng không, m = 0 tức là cơ thể biểu hiện như một diamagnet tuyệt đối.

Tuy nhiên, những hiện tượng này chỉ đặc trưng cho từ trường yếu. Nó chỉ ra rằng một từ trường mạnh có thể xâm nhập vào vật liệu, hơn nữa, nó tự hủy hoại tính siêu dẫn! Giới thiệu khái niệm về trường quan trọng B_vớiphá hủy một chất siêu dẫn. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ: tối đa ở nhiệt độ gần bằng 0, biến mất khi chuyển sang nhiệt độ tới hạn T_với. Tại sao điều quan trọng là chúng ta phải biết lực căng (hoặc cảm ứng) mà tại đó siêu dẫn biến mất? Thực tế là khi một dòng điện chạy qua chất siêu dẫn, từ trường được tạo ra một cách vật lý xung quanh dây dẫn, nó sẽ tác động lên dây dẫn.

Ví dụ, đối với một dây dẫn hình trụ có bán kính r được đặt trong một môi trường có tính thấm từ m, cảm ứng từ trên bề mặt theo định luật Bio-Savard-Laplace sẽ là

B = m₀× m ×Tôi / 2pr (1)

Dòng điện càng lớn, trường càng lớn. Do đó, với một số cảm ứng (hoặc sức căng), tính siêu dẫn biến mất, và do đó, chỉ một dòng điện nhỏ hơn dòng điện tạo ra cảm ứng tới hạn có thể được truyền qua dây dẫn.

Do đó, đối với vật liệu siêu dẫn, chúng ta có hai tham số: cảm ứng từ trường tới hạn B_với và nhiệt độ tới hạn T_với.  

Đối với kim loại, nhiệt độ tới hạn gần với nhiệt độ không tuyệt đối. Đây là khu vực của cái gọi là Nhiệt độ Heli trực tiếp, tương đương với điểm sôi của helium (4.2 K). Về cảm ứng quan trọng, chúng ta có thể nói rằng nó tương đối nhỏ. Nó có thể được so sánh với cảm ứng trong máy biến áp (1-1,5 T). Hoặc ví dụ với cảm ứng gần dây. Ví dụ: chúng tôi tính toán cảm ứng trong không khí gần dây có bán kính 1 cm với dòng điện 100 A.

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

Thay vào biểu thức (1), chúng ta thu được B = 2 mT, tức là, một giá trị xấp xỉ tương ứng với tới hạn. Điều này có nghĩa là nếu một dây dẫn như vậy được đặt vào một đường dây điện, ví dụ 6 kV, thì công suất tối đa có thể được truyền qua mỗi pha sẽ là P_m = Bạn_f· Tôi = 600 kw. Ví dụ được xem xét cho thấy từ trường nội tại hạn chế khả năng truyền năng lượng thông qua dây dẫn lạnh. Hơn nữa, nhiệt độ càng gần nhiệt độ tới hạn, giá trị cảm ứng tới hạn càng thấp.

Chất siêu dẫn nhiệt độ thấp

Ở trên, tôi đã tập trung vào một số vật liệu siêu dẫn cụ thể. Về nguyên tắc, tính chất siêu dẫn là đặc trưng của hầu hết tất cả các vật liệu. Chỉ cho các chất dẫn điện nhất - đồng, bạc (nghịch lý?) Siêu dẫn không được phát hiện. Ứng dụng cụ thể của tính siêu dẫn trong lĩnh vực năng lượng rất hấp dẫn: có những đường dây điện không tổn hao sẽ rất tuyệt vời. Một ứng dụng khác là một máy phát điện với cuộn dây siêu dẫn. Một mẫu máy phát điện như vậy đã được phát triển ở St. Petersburg và các thử nghiệm thành công đã được tiến hành. Tùy chọn thứ ba là một nam châm điện, cảm ứng có thể được điều khiển một cách có kiểm soát tùy thuộc vào cường độ hiện tại.

Một ví dụ khác là lưu trữ quy nạp siêu dẫn. Hãy tưởng tượng một cuộn dây siêu dẫn khổng lồ. Nếu bạn bơm dòng điện vào nó theo một cách nào đó và đóng dây đầu vào và đầu ra, thì dòng điện trong cuộn dây sẽ chảy vô thời hạn. Theo một luật nổi tiếng, năng lượng sẽ được đặt trong một cuộn dây

W = l× Tôi²/2

ở đâu L- cuộn cảm. Theo giả thuyết, người ta có thể tưởng tượng rằng tại một số thời điểm có năng lượng dư thừa trong hệ thống năng lượng, năng lượng được lấy từ nó vào một thiết bị lưu trữ như vậy. Ở đây nó được lưu trữ miễn là cần thiết cho đến khi cần năng lượng. Sau đó, nó đang dần dần được điều khiển trở lại hệ thống điện.

Trong vật lý và công nghệ siêu dẫn, cũng có các chất tương tự dòng điện thấp của các thành phần vô tuyến của thiết bị điện tử thông thường. Ví dụ, trong các hệ thống "chất siêu dẫn - một lớp mỏng kim loại điện trở (hoặc chất điện môi) - chất siêu dẫn", một số hiệu ứng vật lý mới có thể đã được sử dụng trong điện tử. Đây là lượng tử hóa của từ thông trong vòng chứa một phần tử như vậy, khả năng thay đổi dòng điện đột ngột tùy thuộc vào điện áp khi bức xạ yếu được áp dụng cho hệ thống và các nguồn điện áp tiêu chuẩn được xây dựng theo nguyên tắc này với độ chính xác là 10^-10 B. Ngoài ra, còn có các yếu tố lưu trữ, bộ chuyển đổi tương tự sang số, v.v. Thậm chí có một vài thiết kế máy tính siêu dẫn.

Tính cấp thiết của vấn đề vi mô hóa sử dụng chất bán dẫn là ngay cả việc giải phóng năng lượng nhỏ trong một thể tích rất nhỏ cũng có thể dẫn đến quá nhiệt đáng kể và vấn đề tản nhiệt là nghiêm trọng.

Vấn đề này đặc biệt có liên quan cho siêu máy tính. Nó chỉ ra rằng các thông lượng nhiệt cục bộ có thể đạt tới kilowatt trên mỗi cm vuông. Không thể loại bỏ nhiệt theo cách thông thường, bằng cách thổi không khí. Họ đề nghị loại bỏ trường hợp vi mạch và thổi trực tiếp vi tinh thể. Ở đây vấn đề truyền nhiệt kém vào không khí phát sinh. Bước tiếp theo là đổ đầy mọi thứ bằng chất lỏng và loại bỏ nhiệt bằng cách đun sôi chất lỏng trên các phần tử này. Chất lỏng phải thật sạch, không chứa vi hạt, không rửa trôi bất kỳ yếu tố nào trong máy tính. Cho đến nay, những vấn đề này vẫn chưa được giải quyết đầy đủ. Nghiên cứu được thực hiện với chất lỏng organofluorine.

Trong các máy tính siêu dẫn, không có vấn đề như vậy, bởi vì không mất Tuy nhiên, việc làm mát thiết bị đến nhiệt độ đông lạnh đòi hỏi rất nhiều chi phí. Hơn nữa, càng gần với số không tuyệt đối - chi phí càng lớn. Hơn nữa, sự phụ thuộc là phi tuyến, nó thậm chí còn mạnh hơn sự phụ thuộc tỷ lệ nghịch.

Thang nhiệt độ trong khu vực đông lạnh được chia thành nhiều khu vực theo các điểm sôi của khí hóa lỏng: helium (dưới 4.2 K), hydro 20,5 K, nitơ 77 K, oxy 90 K, ammonia (-33 °C) Nếu chúng ta có thể tìm thấy một vật liệu có điểm sôi gần hoặc cao hơn hydro, chi phí duy trì cáp trong điều kiện làm việc sẽ thấp hơn mười lần so với nhiệt độ helium. Khi chuyển sang nhiệt độ nitơ, sẽ có một mức tăng theo một số bậc. Do đó, các vật liệu siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ heli, mặc dù chúng đã được phát hiện hơn 80 năm trước, nhưng vẫn chưa tìm thấy ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng.

Có thể lưu ý rằng những nỗ lực tiếp theo để phát triển một thiết bị đông lạnh hoạt động được thực hiện sau mỗi bước đột phá trong công nghệ. Những tiến bộ trong công nghệ đã dẫn đến các hợp kim có đặc tính cảm ứng và nhiệt độ quan trọng nhất.

Vì vậy, vào đầu những năm 70, đã có một sự bùng nổ trong nghiên cứu về stannide niobium Nb₃Sn. Anh ấy có B_với = 22 T và T_với= 18 K. Tuy nhiên, trong các chất siêu dẫn này, trái ngược với kim loại, ảnh hưởng của chất siêu dẫn phức tạp hơn. Hóa ra họ có hai giá trị của lực căng B quan trọng_c0 và B_s1.  

Trong khoảng cách giữa chúng, vật liệu không có điện trở đối với dòng điện một chiều, nhưng có điện trở hữu hạn đối với dòng điện xoay chiều. Và mặc dù trong_c0 đủ lớn, nhưng các giá trị của cảm ứng quan trọng thứ hai B_s1 khác với các giá trị tương ứng của kim loại Các chất siêu dẫn loại đơn giản của Viking được gọi là chất siêu dẫn loại thứ nhất, và các chất siêu dẫn loại phức tạp của loại thứ hai.

Các hợp chất intermetallic mới không có độ dẻo của kim loại, vì vậy câu hỏi đã được giải quyết đồng thời làm thế nào để tạo ra các nguyên tố mở rộng như dây từ vật liệu giòn.Một số tùy chọn đã được phát triển, bao gồm việc tạo ra các vật liệu tổng hợp như bánh lớp bằng kim loại nhựa, chẳng hạn như đồng, lắng đọng các vật liệu đối xứng trên đế đồng, v.v., rất hữu ích trong việc phát triển gốm siêu dẫn.

Gốm siêu dẫn

Bước cơ bản tiếp theo trong nghiên cứu về tính siêu dẫn là một nỗ lực tìm kiếm tính siêu dẫn trong các hệ oxit. Ý tưởng mơ hồ của các nhà phát triển là trong các hệ thống chứa các chất có tính siêu dẫn hóa trị thay đổi là có thể, và ở nhiệt độ cao hơn. Hệ thống nhị phân, tức là bao gồm hai oxit khác nhau. Không thể tìm thấy tính siêu dẫn. Và chỉ trong ba hệ thống Bảo-la₂Ôi₃-Cu vào năm 1986, chất siêu dẫn đã được phát hiện ở nhiệt độ 30 - 35 K. Đối với công trình này, Bednorts và Muller đã nhận được giải thưởng Nobel sau đó, (!!) 1987

Các nghiên cứu chuyên sâu về các hợp chất liên quan trong năm đã dẫn đến việc phát hiện ra tính siêu dẫn trong hệ thống Bảo-y₂Ôi₃-Cu ở nhiệt độ 90 K. Trên thực tế, tính siêu dẫn thu được trong một hệ thống thậm chí phức tạp hơn, công thức có thể được biểu diễn dưới dạng Yba₂Cu₃Ôi_7-d. Giá trị d đối với vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao nhất là 0,2. Điều này có nghĩa là không chỉ một tỷ lệ nhất định của các oxit khởi đầu, mà còn làm giảm hàm lượng oxy.

Thật vậy, nếu bạn tính theo hóa trị, thì yttri - 3, bari - hai, đồng 1 hoặc 2. Sau đó, các kim loại có tổng hóa trị là 10 hoặc 13, và oxy có ít hơn 14. Do đó, trong gốm này có lượng oxy dư thừa so với cân bằng hóa học tương quan.

Gốm được sản xuất bằng công nghệ gốm thông thường. Làm thế nào để làm cho dây từ một chất dễ vỡ? Một cách, một huyền phù của bột được tạo ra trong một dung môi thích hợp, sau đó dung dịch được ép qua khuôn, sấy khô và băng vào trống. Việc loại bỏ dây chằng cuối cùng được thực hiện bằng cách đốt, dây đã sẵn sàng. Tính chất của các sợi như vậy: nhiệt độ tới hạn 90-82 K, ở 100 K r= 12 mOhm · cm, (gần giống như than chì), mật độ dòng tới hạn 4000 A / m².

Hãy để chúng tôi ở trên chữ số cuối cùng. Giá trị này cực kỳ thấp để sử dụng trong lĩnh vực năng lượng. So sánh với mật độ hiện tại kinh tế (~1 A / mm²), người ta thấy rằng trong gốm sứ mật độ hiện tại thấp hơn 250 lần. Các nhà khoa học đã điều tra vấn đề này và đưa ra kết luận rằng những liên hệ không siêu dẫn là đáng trách. Thật vậy, các tinh thể đơn đã thu được mật độ hiện tại đạt đến mật độ hiện tại kinh tế. Và trong hai hoặc ba năm qua, dây gốm đã thu được có mật độ hiện tại vượt quá mật độ hiện tại kinh tế.

Năm 1999, một dây cáp siêu dẫn nối hai ga tàu điện ngầm đã được đưa vào vận hành ở Nhật Bản. Cáp được làm bằng công nghệ "sandwich", tức là gốm dễ vỡ trong đó nằm giữa hai lớp đồng đàn hồi và dẻo. Chất cách điện và đồng thời, chất làm lạnh là nitơ lỏng.

Bạn nghĩ gì về một trong những vấn đề chính với cáp này? Bạn có thể đoán những vấn đề này đã được thảo luận trước đây liên quan đến sự cô lập. Nó chỉ ra rằng sự mất điện môi trong một chất điện môi tuyệt vời như nitơ lỏng làm nóng nó, đòi hỏi phải chăm sóc liên tục để làm mát bổ sung.

Nhưng tôidonith bỏ cuộc, và theo các hãng tin tại Nhật Bản, TEPCO dự định tạo ra các mạng siêu dẫn đầu tiên để cung cấp điện cho các tòa nhà dân cư. Ở giai đoạn đầu tiên, khoảng 300 km cáp như vậy sẽ được đặt ở Yokohama, nơi sẽ bao gồm khoảng nửa triệu tòa nhà!