En un futur proper, tots els cables d’alimentació estaran fabricats amb materials superconductors

El principi de superconductivitat. Efecte de camp magnètic

El flux de corrent en els conductors sempre està associat a pèrdues d’energia, és a dir. amb la transició d’energia d’elèctrica a tèrmica. Aquesta transició és irreversible, la transició inversa només s’associa amb la finalització del treball, ja que la termodinàmica en parla. No obstant això, hi ha la possibilitat de convertir l’energia tèrmica en energia elèctrica i utilitzar l’anomenada efecte termoelèctric, quan s’utilitzen dos contactes de dos conductors, un dels quals s’escalfa i l’altre es refreda.

De fet, i aquest fet és sorprenent, hi ha una sèrie de conductors en els quals, en determinades condicions, no hi ha pèrdues d’energia durant el flux de corrent. En física clàssica, aquest efecte és inexplicable.

Segons la teoria electrònica clàssica, el moviment d’un portador de càrrega es produeix en un camp elèctric accelerat uniformement fins que xoca amb un defecte estructural o amb una vibració de gelosia. Després d’una col·lisió, si és inelàstica, com una col·lisió de dues boles de plastilina, un electró perd energia, transferint-la a una gelosia d’àtoms metàl·lics. En aquest cas, en principi, no hi pot haver una superconductivitat.

Resulta que la superconductivitat només apareix quan es tenen en compte efectes quàntics. És difícil imaginar-ho. Es pot obtenir una certa idea feble del mecanisme de superconductivitat a partir de les següents consideracions.

Resulta, donat que l’electró pot polaritzar l’àtom de la gelosia més propera a ell, és a dir. estireu lleugerament cap a vosaltres degut a l'acció de la força de Coulomb, llavors aquest àtom de gelosia canviarà lleugerament el següent electró. Es forma, així, un enllaç d’un parell d’electrons.

Quan l’electró es mou, el segon component de la parella percep l’energia que l’electró transfereix a l’àtom de la gelosia. Resulta que si tenim en compte l’energia d’un parell d’electrons, no canvia durant una col·lisió, és a dir. La pèrdua d'energia d'electrons no es produeix Aquests parells d’electrons s’anomenen parells de Cooper.

En general, és difícil entendre per a una persona amb idees físiques establertes. Et resulta més fàcil d'entendre, almenys ho pots donar per fet.

Superconductivitattambé superfluidesaes van trobar en experiments a temperatures ultra-baixes, prop de zero absolutes. Quan s'apropes al zero absolut, les vibracions de gelosia es congelen. La resistència al flux de corrent disminueix fins i tot segons la teoria clàssica, però a zero a una certa temperatura crítica T_amb, disminueix només segons les lleis quàntiques.

La superconductivitat va ser descoberta per dos fenòmens: en primer lloc, en el fet de la desaparició de la resistència elèctrica i, en segon lloc, en el diamagnetisme. El primer fenomen és clar, si passa un cert corrent Jo a través del conductor, després per la caiguda de tensió U al conductor podeu determinar la resistència R = U / I. La desaparició de la tensió significa la desaparició de la resistència com a tal.

El segon fenomen requereix una consideració més detallada. Lògicament, la manca de resistència és idèntica a la naturalesa diamagnètica absoluta del material. De fet, imagineu-vos una petita experiència. Introduirem material superconductor a la regió del camp magnètic. Segons la llei Joule-Lenz, cal produir una corrent en el conductor que compensi completament el canvi de flux magnètic, és a dir. el flux magnètic a través del superconductor era zero i queda zero. En un conductor convencional, aquest corrent disminueix, perquè el conductor té una resistència. Només llavors un camp magnètic penetra al conductor. En un superconductor, no s’esvaeix.Això vol dir que el corrent que flueix comporta una compensació completa del camp magnètic dins de si mateix, és a dir. el camp no hi penetra. Des del punt de vista formal, un camp zero significa que la permeabilitat magnètica del material és zero, m = 0 és a dir. el cos es manifesta com un diamagnet absolut.

Tanmateix, aquests fenòmens són característics només per als camps magnètics febles. Resulta que un camp magnètic fort pot penetrar en el material, a més, destrueix la superconductivitat mateixa! Introduir el concepte de camp crític B_ambque destrueix un superconductor. Depèn de la temperatura: màxima a una temperatura propera a zero, desapareix en passar a una temperatura T crítica_amb. Per què és important conèixer la tensió (o la inducció) a la qual desapareix la superconductivitat? El cas és que quan un corrent passa a través d’un superconductor, es crea físicament un camp magnètic al voltant del conductor, que ha d’actuar sobre el conductor.

Per exemple, per a un conductor cilíndric de radi r situat en un medi amb permeabilitat magnètica m, serà una inducció magnètica a la superfície d'acord amb la llei de Bio-Savard-Laplace

B = m₀× m ×I / 2pàgr (1)

Com més gran és el corrent, més gran és el camp. Així, amb alguna inducció (o tensió), la superconductivitat desapareix i, per tant, només es pot passar a través del conductor una corrent inferior a la que crea inducció crítica.

Així, per a un material superconductor, tenim dos paràmetres: inducció B de camp magnètic crític_amb i temperatura T crítica_amb.  

Per als metalls, les temperatures crítiques són properes a les temperatures zero absolutes. Aquesta és la zona dels anomenats Temperatures “d’heli”, comparables amb el punt d’ebullició de l’heli (4,2 K). Pel que fa a la inducció crítica, podem dir que és relativament petita. Es pot comparar amb la inducció en transformadors (1-1,5 T). O per exemple amb inducció a prop del filferro. Per exemple, calculem la inducció a l’aire prop d’un cable amb un radi d’1 cm amb un corrent de 100 A.

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

Substituint a l’expressió (1) s’obté B = 2 mT, és a dir, un valor aproximat a la crítica. Això vol dir que si aquest conductor es col·loca en una línia elèctrica, per exemple, 6 kV, llavors la potència màxima que es pot transmetre a través de cada fase serà P_m = U_f· Jo = 600 kW. L’exemple considerat mostra que el camp magnètic intrínsec limita la capacitat de transferir energia a través d’un fil criogènic. A més, com més s'apropi la temperatura a la temperatura crítica, més baix és el valor d'inducció crític.

Superconductors de baixa temperatura

A sobre, ja m'he centrat en alguns materials sobreconductors específics. En principi, la propietat de la superconductivitat és característica de gairebé tots els materials. Només per als conductors més elèctrics: coure, plata (paradoxa?) No es detecta la superconductivitat. L’aplicació específica de la superconductivitat en el sector energètic és temptadora: tenir línies elèctriques sense pèrdues seria meravellós. Una altra aplicació és un generador amb bobinatges superconductors. Es va desenvolupar una mostra d'aquest generador a Sant Petersburg i es van realitzar proves amb èxit. La tercera opció és un electroimant, la inducció del qual es pot controlar de forma controlada depenent de la força actual.

Un altre exemple és un emmagatzematge inductiu superconductor. Imagineu-vos una enorme bobina de conductor superconductor. Si s’injecta d’alguna manera corrent i tanqueu els cables d’entrada i sortida, el corrent de la bobina fluirà indefinidament. D'acord amb una llei coneguda, l'energia quedarà tancada en una bobina

W = l× Jo²/2

on L- Inductància de la bobina. Hipotèticament, es pot imaginar que en algun moment hi ha un excés d’energia en el sistema energètic, l’energia es porta a aquest dispositiu d’emmagatzematge. Aquí s’emmagatzema el temps que calgui fins a la necessitat d’energia. A continuació, es torna a reincorporar gradualment al sistema d’energia.

En física i la tecnologia de la superconductivitat, també hi ha analògics de baixa intensitat dels elements de ràdio de l'electrònica convencional. Per exemple, en els sistemes "superconductor - una capa fina de metall resistent (o dielèctric) - superconductor", hi ha possibles efectes físics nous que ja s'utilitzen en l'electrònica. Es tracta de la quantització del flux magnètic en un anell que conté aquest element, la possibilitat d’un canvi brusc de corrent en funció de la tensió quan el sistema estigui exposat a radiacions dèbils i de fonts de tensió estàndard construïdes en aquest principi amb una precisió de 10.^-10 B. A més, hi ha elements d’emmagatzematge, convertidors analògics a digitals, etc. Fins i tot hi ha alguns dissenys d’ordinadors de superconductors.

La urgència del problema de la microminiaturització mitjançant semiconductors és que fins i tot un petit alliberament d’energia en un volum molt reduït pot comportar un sobreescalfament significatiu i el problema de la dissipació de la calor és agut.

Aquest problema és especialment rellevant per als supercomputadors. Resulta que els fluxos de calor locals de microxips poden arribar a quilowatts per centímetre quadrat. No es pot treure calor de la forma habitual, bufant aire. Van suggerir treure el cas dels microcircuits i bufar directament el microcristall. Aquí va sorgir el problema d’una mala transferència de calor a l’aire. El següent pas era omplir tot de líquid i eliminar calor bullint el líquid sobre aquests elements. El líquid ha de ser molt net, no contenir micropartícules, ni netejar cap dels molts elements de l’ordinador. Fins al moment, aquests problemes no s’han resolt del tot. La investigació es realitza amb fluids organofluorins.

A les computadores de superconductors, no hi ha aquests problemes, perquè sense pèrdues. Tot i això, refredar l’equip a temperatures criogèniques requereix molts costos. A més, com més a prop del zero absolut, més gran és el cost. A més, la dependència no és lineal, és encara més forta que la dependència inversament proporcional.

L’escala de temperatura a la regió criogènica està dividida convencionalment en diverses zones segons els punts d’ebullició dels gasos liquats: heli (per sota de 4,2 K), hidrogen 20,5 K, nitrogen 77 K, oxigen 90 K, amoníac (-33 °C) Si poguéssim trobar un material amb un punt d’ebullició proper o superior a l’hidrogen, el cost de mantenir el cable en condicions de treball seria deu vegades menor que per les temperatures d’heli. En passar a les temperatures de nitrogen, hi hauria un guany de diversos ordres de magnitud. Per tant, els materials superconductors que operen a temperatures de l’heli, tot i que es van descobrir fa més de 80 anys, encara no han trobat aplicació al sector energètic.

Es pot notar que els intents posteriors de desenvolupar un dispositiu criogènic operatiu es fan després de cadascun dels avenços de la tecnologia. Els avenços en tecnologia han suposat aliatges que presenten les millors característiques d’inducció i temperatura.

Així, a principis dels anys 70, es va produir un auge en l'estudi del niobi estannídic Nb₃Sn. Té B_amb = 22 T, i T_amb= 18 K. Tanmateix, en aquests superconductors, en contrast amb els metalls, l'efecte de la superconductivitat és més complicat. Resulta que tenen dos valors de la tensió crítica B_c0 i B_s1.  

En el buit entre ells, el material no té resistència al corrent directe, però té una resistència finita al corrent altern. I encara que In_c0 prou gran, però els valors de la segona inducció crítica B_s1 difereix poc dels valors corresponents per als metalls. Els superconductors "simples" s'anomenen superconductors del primer tipus, i "complexos": superconductors del segon tipus.

Els nous compostos intermetàl·lics no tenen la ductilitat dels metalls, per la qual cosa es va resoldre simultàniament la forma de fer elements estesos com ara cables de materials trencadissos.S'han desenvolupat diverses opcions, incloent la creació de compostos com ara un pastís de capa amb metalls plàstics, com ara el coure, la deposició d'intermetalls sobre un substrat de coure, etc., que va ser útil en el desenvolupament de ceràmiques superconductores.

Ceràmica superconductora

El següent pas radical en l'estudi de la superconductivitat va ser un intent de trobar la superconductivitat en els sistemes d'òxids. La vaga idea dels desenvolupadors era que en sistemes que contenen substàncies amb valència variable és possible una superconductivitat i a temperatures més elevades. Sistemes binaris, és a dir. format per dos òxids diferents. No s'ha pogut trobar superconductivitat. I només en sistemes triples Bao-la₂O₃-CuO el 1986, es va detectar la superconductivitat a una temperatura de 30-35 K. Per aquest treball, Bednorts i Muller van rebre el premi Nobel el següent, (!!) 1987

Els estudis intensius de compostos relacionats durant l'any van portar al descobriment de la superconductivitat del sistema Bao-y₂O₃-CuO a una temperatura de 90 K. De fet, la superconductivitat s'obté en un sistema encara més complex, la fórmula del qual es pot representar com Yba₂Cu₃O_7-d. Valor d per al material superconductor a la temperatura més alta és 0,2. Això significa no només un determinat percentatge dels òxids inicials, sinó també un contingut en oxigen reduït.

En efecte, si es calcula per valència, el itiri - 3, bari - dos, coure 1 o 2. Aleshores, els metalls tenen una valència total de 10 o 13, i l’oxigen té una mica menys de 14. Per tant, en aquesta ceràmica hi ha un excés d’oxigen respecte als estequiomètrics. correlació.

La ceràmica es produeix mitjançant la ceràmica convencional. Com fer cables a partir d’una substància fràgil? Una forma, una suspensió de la pólvora es fa en un dissolvent adequat, la solució es força a través d'un dau, s'asseca i s'enrotlla a un tambor. L’eliminació final del lligament es realitza mitjançant la crema, el filferro a punt. Propietats d'aquest tipus de fibres: temperatures crítiques entre 90 i 82 K i 100 K r= 12 mOhm · cm, (aproximadament com el grafit), densitat de corrent crítica 4.000 A / m².

Quedem al darrer dígit. Aquest valor és extremadament baix per al seu ús en el sector energètic. Comparant amb la densitat de corrent econòmic (~1 A / mm²), es veu que a la ceràmica la densitat de corrent és 250 vegades menor. Els científics van investigar aquest tema i van arribar a la conclusió que els contactes que no són superconductors. De fet, els cristalls simples han obtingut densitats de corrent que arriben a la densitat de corrent econòmic. I en els darrers dos o tres anys s’han obtingut cables de ceràmica la densitat de corrent superior a la densitat de corrent econòmic.

L’any 1999 es va posar en marxa al Japó un cable superconductor que connectava dues estacions de metro. El cable es fa mitjançant la tecnologia de "sandvitx", és a dir. la ceràmica fràgil que es troba es troba entre dues capes de coure elàstic i dúctil. L’aïllament i, al mateix temps, el refrigerant és nitrogen líquid.

Quin creieu que és un dels principals problemes d’aquest cable? Es pot suposar que aquests problemes han estat discutits anteriorment en relació amb l'aïllament. Resulta que la pèrdua dielèctrica en un dielèctric tan meravellós com el nitrogen líquid s’escalfa, cosa que requereix una cura constant pel refredament addicional.

Però jono et rendeixis i, segons les agències de notícies del Japó, TEPCO té la intenció de crear les primeres xarxes superconductores per al subministrament d’electricitat als edificis residencials. A la primera etapa, aproximadament 300 quilòmetres d'aquests cables es posaran a Yokohama, que cobriran prop de mig milió d'edificis.