Загрузка...Сверхпроводники тепловое действие тока
Сверхпроводники. Влияние внешних факторов на сверхпроводимость
Состояние проводника, при котором его электрическое сопротивление становится практически равным нулю, называют сверхпроводимостью, а материал в таком состоянии – сверхпроводником. Температуру, при которой происходит переход в сверхпроводниковое состояние, называют критической температурой Ткр. Сверхпроводимость можно разрушить, увеличивая плотность тока в сверхпроводнике до критического значения, называемого критической плотностью тока. Сверхпроводимость разрушается также магнитным полем. Напряженность магнитного поля, при которой разрушается сверхпроводимость, называют критической напряженностью. Чем больше значение критической напряженности сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные свойства, тем при
больших плотностях тока его можно использовать. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля – взаимозависимые величины. При увеличении температуры сверхпроводника критическая напряженность уменьшается. На сверхпроводимость влияет и частота электромагнитного поля. Реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Наиболее широко сверхпроводники стали применять в ускорительной технике, в медицинских магниторезонансных томографах. Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:
1) повышение температуры;
2) действие достаточно сильного магнитного поля;
3) достаточно большая плотность тока в образце.
25) Сверхпроводники 1 рода. Для сверхпроводников 1 рода характерными являются скачкообразный переход в сверхпроводниковое состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля. Значения критической температуры и критической напряженности магнитного поля у них малы, что затрудняет их практическое применение. К сверхпроводникам 1 рода относятся все чистые металлы, кроме переходных металлов. Основной их недостаток заключается в том, что у них самые низкие среди сверхпроводников значения критической напряженности, а это существенно ограничивает плотность тока и тем самым препятствует их практическому использованию. Сверхпроводники 2 рода переходят в сверхпроводниковое состояние не скачкообразно, как сверхпроводники 1 рода, а в некотором интервале температур. Значения критической температуры и напряженности у них больше, чем у сверхпроводников 1
рода. Для сверхпроводников 2 рода характерно наличие 2 критических напряженностей магнитного поля. Различия в значениях может быть в сотни раз. Критическая плотность тока, несмотря на высокое значение напряженности, небольшая, что является существенным недостатком. Некоторые сверхпроводники 2 рода обладают не только относительно высокими значениями критической температуры, но, что особенно ценно, и высокими значениями напряженности и плотности. Сверхпроводниковые свойства сильно зависят от степени дефектности образца и технологии его получения. К сверхпроводникам 2 рода из чистых металлов относятся только ниобий, ванадий, технеций и все сверхпроводниковые сплавы, и химические соединения, очень тонкие пленки из сверхпроводников 1 рода.
26) Сверхпроводники 3 рода – это сверхпроводники 2 рода, имеющие крупные неоднородности (Дефекты решетки и примеси); такие сверхпроводники называют «жесткими». При пластическом деформировании в холодном состоянии, например протяжке, в кристаллической решетке резко увеличивается концентрация дефектов. В результате критическая плотность тока возрастает на несколько десятичных порядков. К «жестким» сверхпроводникам относятся
большая группа сплавов и химических соединений на основе ниобия и ванадия. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Сверхпроводники, в том числе сверхпроводники 3 рода, имеют весьма низкие критические температуры (
Сверхпроводники тепловое действие тока
Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50-х гг., когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использование явления сверхпроводимости приобретает все большее практическое значение.
Согласно закону электромагнитной индукции, любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле. Сверхпроводники проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах (низкотемпературная сверхпроводимость – НТСП), поэтому они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. В медицине широко используется такая медико-диагностическая процедура как электронная томография. Она проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), и пациент, сам того не подозревая, находится в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. Именно они создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.
Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.
Развитие сверхпроводниковой техники связано также с созданием ожижителей и рефрижераторов с все большей хладопроизводительностью на уровне температур жидкого гелия. Эволюция температуры сверхпроводящего перехода привела к возможности использования хладагентов с все более высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот).
Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Уже в 80-х гг. прошлого века в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля.
Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров.
В последние годы явление сверхпроводимости все более широко используется при разработке турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Следует также отметить такое направление в работах по сверхпроводимости как создание устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.
В настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости: прежде всего – в магнитных системах различного назначения и затем – в электрических машинах (в первую очередь, в турбогенераторах).
В представленной ниже таблице перечислены основные области применения явления сверхпроводимости.
Экранирование
Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, а также при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве
Магниты
НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза
Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП
Передача энергии
Прототипные линии НТСП уже продемонстрировали свою перспективность
Аккумулирование
Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока
Вычислительные устройства
Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании аппаратуры
Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Это свойство используется в микроволновых устройствах, а также при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве.
Магниты на основе НТСП используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза – в различном научно-исследовательском оборудовании. Кроме того, в настоящее время интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке, где используется так называемая магнитная левитация. Прототип такого поезда уже есть в Японии, и в нем используется явление НТСП.
Далее, поскольку отсутствие электросопротивления делает очень выгодным процессы передачи энергии, уже созданы прототипные линии из низкотемпературных сверхпроводников, которые продемонстрировали свою перспективность. А возможность сверхпроводников аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока используется в современных промышленных аккумуляторах.
И наконец, комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструировании электронных вычислительных устройств.
Таким образом, спустя почти сто лет со времени открытия сверхпроводимости она из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии.
Сверхпроводники тепловое действие тока
Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определенного значения (критическая температура). Сверхпроводимость — квантовое явление и не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.
Многие ученые исследовали явление сверхпроводимости, но все началось с развития технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния.
Наиболее ценный вклад в исследование внесли такие ученые, как Вальтер Мейсер, открывший «эффект Мейсера», Л.Д. Ландау и В.Л. Гинзбург, построившим общую теорию данного явления, ученые Литтл и Паркс, Лондон, открывший «момент Лондона», который применялся на научном спутнике «Gravity Probe B».
Явление сверхпроводимости можно использовать для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов отсутствуют тепловые потери. Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества, так как один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая традиционным методом требует создания цепи линии электропередач с несколькими кабелями много большей толщины.
В настоящее время специалисты группы компаний «Сибэлектромотор» приступили к тестовым испытаниям образцов высокотемпературных проводников, предоставленных томскому предприятию компанией «Русский сверхпроводник». Параллельно ими начата работа по проектированию асинхронного электродвигателя с использованием высокотемпературных сверхпроводников [1]. Особенностью полученного типа гибких изолированных высокотемпературных проводников является его реальная применимость не только в опытных образцах, но и в серийном производстве.
Основные требования к новому оборудованию — это высокий КПД и малая материалоёмкость. Опытная эксплуатация нового сверхпроводникового оборудования показала, что использование сверхпроводимости позволяет в 2-3 раза снизить металлоёмкость единичных агрегатов, увеличить их КПД, а также существенно улучшить экологические показатели и надёжность энергосистем в целом.
При передаче по сверхпроводниковым кабельным линиям электропередач мощностей свыше 20 млн кВт на расстояние свыше 2000 км ожидается снижение электрических потерь на 10%, что соответствует сбережению от 7 до 10 млн т у.т. в год. При этом приведённые затраты на сверх проводящую кабельную ЛЭП могут быть не больше, чем на высоковольтную ЛЭП традиционного исполнения.
Силовое оборудование, созданное на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения, может иметь размеры в два-пять раз меньшие, чем аналогичное оборудование традиционного исполнения, при том же или более высоком уровне мощности и при более чем двукратном сокращении потерь энергии. В сравнении с проводами первого поколения, провода второго поколения могут работать в высоких полях, и стоимость материалов в них на порядок ниже.
Проблемами, препятствующими широкому использованию сверхпроводников, является стоимость кабелей и их обслуживания — через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот.
В заключение можно отметить, что наше будущее неотъемлемо связано с энергетикой, так как наша цивилизация построена на электричестве. Кардинальное переоборудование энергетических систем и сетей необходимо для дальнейшего развития нашей цивилизации.
Сверхпроводимость как уникальное физическое явление, по-видимому, является единственной возможностью для решения проблемы переоборудования энергосистем, что позволяет надеяться на значительное расширение в будущем рынка сверхпроводникового электротехнического оборудования.
Сверхпроводники научили создавать ток из тепла
Схема предложенного устройства
Изображение: S. Kolenda et al. / arXiv.org, 2016
Физики из Технологического Института в Карлсруэ экспериментально добились возникновения сильного термоэлектрического эффекта в контакте сверхпроводник-ферромагнетик. Это явление, родственное эффекту возникновения термоэлектричества в полупроводниках, оказалось по силе на порядки сильнее, чем в обычных металлах и может найти применение в создании сверхточных термометров. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.
Классический эффект Зеебека связан с асимметрией в свойствах электронов и дырок в твердом теле. Он возникает, если взять два различных материала и соединить их в электрическую цепь, поддерживая при этом разницу температур в местах скрепления. Эта асимметрия приводит к тому, что энергия электронов в разных точках цепи оказывается различной, в результате чего возникает электрический ток.
В сверхпроводниках такой асимметрии не наблюдается — поэтому авторы создали ее искусственно, следуя теоретической работе, опубликованной в 2014 году. Для этого физики создали многослойный контакт, состоящий из полоски сверхпроводящего алюминия, поверхность которого была покрыта тонкой пленкой непроводящей окиси, полоски железа и медного контакта поверх них. Всю конструкцию авторы поместили в сильное магнитное поле с индукцией в 0,5-1 тесла и охладили до 50 милликельвинов.
Фотография устройства для измерения термоэлектрического эффекта. Оранжевая полоска — железо, голубая — алюминий, серая — медь.
Изображение: S. Kolenda et al. / arXiv.org, 2016
Первый из контактов в системе — туннельный, частицы могут проникать сквозь него лишь посредством квантового эффекта — туннелирования. При этом, природа контакта (сверхпроводник-ферромагнетик) создает условия, в которых ток, протекающий через него, зависит от спина частиц. Внешнее магнитное поле в системе вызывает спиновую поляризацию — преимущественное направление спина частиц в материалах, что и приводит к нарушению симметрии электронов и дырок. Ферромагнитный контакт — железная полоска — играл также роль нагревательного элемента, к нему отдельно подводился ток, позволявший измерить термоэлектрический эффект при разных температурах.
На основе данных эксперимента авторы смогли вычислить коэффициент Зеебека — величину изменения разности потенциалов в цепи соответствующую изменению температуры на один кельвин. Она оказалась равной 100 микровольтам на кельвин. Характерные величины термоэлектрического эффекта для классического контакта двух металлов составляют единицы микровольт на кельвин, достигая 25 микровольт для контакта нихром-платина. Авторы отмечают, что при больших полях значение коэффициента может достигать и единиц милливольт на кельвин.
Физики предполагают, что продемонстрированный эффект можно использовать в сверхточных термометрах, работающих вблизи абсолютного нуля. Кроме того, можно воспользоваться и обратным возникновению термоэлектричества эффектом — эффектом Пельтье — и очень точно контролировать температуру в каком-либо микрообразце.
Ранее ученые уже предлагали схему температурного сенсора на основе туннельного контакта проводник-изолятор-сверхпроводник. Устройство основано на изменении вольт-амперной характеристики туннельного тока в зависимости от температуры.
