Применение сверхпроводников

Сверхпроводимость — Физика

Применение сверхпроводников
 Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило и практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.

2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

История открытия

Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте (англ.) независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски (англ.) и Кароль Ольшевски (англ.) выполнили сжижение азота.

В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий. Позднее ему удалось довести его температуру до 1 градуса Кельвина.

Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойств металлов, в частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры.

Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и совсем перестанут проводить ток.

Эксперименты, проводимые Камерлингом-Оннесем со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о плавном спадании сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года он неожиданно обнаружил, что при 3 градусах Кельвина (около −270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю.

Следующий эксперимент, проведённый 11 мая, показал, что резкий скачок сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.

В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.Нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводимости.

Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем (англ.) и Хайнцем Лондоном (англ.). Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом.

Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга — Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера.

Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов.Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов).

В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в 1960 году под руководством Дж.

Кюнцлера был открыт материал Nb3Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя.В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных.

В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O). По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), открытому в 2003 году, критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К.

Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение Тс — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода.

Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений.

Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2) у низкотемпературных сверхпроводников (Тс ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135 К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников.

В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры — 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли.

Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.15 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К).

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников.

Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля при температуре перехода Тc теплота перехода (поглощения или выделения) обращается в нуль, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода.

Такая температурная зависимость теплоемкости электронной подсистемы сверхпроводника свидетельствует о наличии энергетической щели в распределении электронов между основным состоянием сверхпроводника и уровнем элементарных возбуждений. Когда же переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется изменением приложенного магнитного поля, то тепло должно поглощаться (например, если образец теплоизолирован, то его температура понижается). А это соответствует фазовому переходу Ι рода. Для сверхпроводников ΙΙ рода переход из сверхпроводящего в нормальное состояние при любых условиях будет фазовым переходом ΙΙ рода.

Эффект Мейснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока rotB = 0 .

Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположнонаправленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Нc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем.

При уменьшении температуры сверхпроводника величина Нc возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением

где Hc0 — критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока с плотностью, большей, чем критическая jc, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона».

Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B», где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения.

Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы, использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения.

Применение сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa2Cu3Ox, получены вещества, для которых температура Тc перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н.

сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока. Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим.

Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля Hc2.Существуют детекторы фотонов на сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют также эффект Джозефсона, андреевское отражение и т. д.

Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУ и др.), использующими другие способы регистрации.Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти.

Подобное применение уже нашли некоторые магнитные солитоны. Существуют и более сложные дву- и трёхмерные магнитные солитоны, напоминающие вихри в жидкостях, только роль линий тока в них играют линии, по которым выстраиваются элементарные магнитики (домены).

Электроны в металлах

Открытие изотопического эффекта означало, что сверхпроводимость, вероятно, вызывается взаимодействием между электронами проводимости и атомами кристаллической решетки. Чтобы выяснить, как это приводит к сверхпроводимости, нужно рассмотреть структуру металла. Как и все кристаллические твердые тела, металлы состоят из положительно заряженных атомов, расположенных в пространстве в строгом порядке. Порядок, в котором размещены атомы, можно сравнить с повторяющимся рисунком на обоях, но только рисунок должен повторяться в трех измерениях. Электроны проводимости движутся среди атомов кристалла со скоростями от 0,01 до 0,001 скорости света; их движение и есть электрический ток.

Источник: https://www.sites.google.com/site/sergkraskaa/sverhprovodimost/sverhprovodimost

Применение сверхпроводников

Применение сверхпроводников

  • Сверхпроводники имеют сопротивление около нуля, а значит, могут проводить ток без тепловых потерь, если они находятся при температурах ниже критических, в магнитных полях и токах ниже критических.
  • В том случае, если сверхпроводники находятся в магнитных полях ниже некоторого критического значения, то сверхпроводник является идеальным диамагнетиком (магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает).
  • Если сверхпроводник имеет форму кольца или цилиндра, то его магнитный момент изменяется дискретно (на квант магнитного потока).
  • Если частота тока ниже критической, то поверхностное сопротивление сверхпроводника в десятки и даже сотни раз меньше, чем у хороших проводников при той же температуре.

Применение сверхпроводников весьма разнообразно. С их помощью можно получить большие токи, используя источник, который имеет небольшое напряжение. При этом практически отсутствуют потери на джоулево тепло, что позволяет использовать сверхпроводник в измерительных приборах. Так, чувствительность гальванометра, имеющего рамку из сверхпроводника, очень велика ($\sim {10}{-12}B$).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

В настоящее время из-за наличия сопротивления подводящих проводов потери электроэнергии составляют $30-40\%$.

Если бы стало возможным передавать электроэнергию по сверхпроводящим проводам, то потери на джоулево тепло отсутствовали, что стало бы равносильно увеличению выработки электричества на треть.

На основе сверхпроводников можно было бы изготавливать генераторы и электродвигатели с гораздо более высоким КПД, чем существующие сейчас.

Сильноточные технологии, которые предназначаются для устройств больших мощностей, применяются в электроэнергетике, промышленности и на транспорте.

В этих отраслях сверхпроводниковые технологии ведут к созданию электрооборудования в $2-3$ раза меньшей массы, более экологичного, более надежного с большим сроком эксплуатации.

Предполагается, что в электроэнергетике будет происходить постепенная замена традиционного резисторного оборудования на более дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование, которое существенно выше по надежности и эффективности.

Примечание 1

Способность сверхпроводника переходить в нормальное состояние из сверхпроводящего и обратно, под воздействием магнитного поля используют для усиления небольших постоянных токов и напряжений. В данном случае слабый постоянный сигнал подается на сверхпроводник, который находится в переменном магнитном поле.

При этом напряженность магнитного поля такова, что состояния сверхпроводника чередуются: нормальное состояние — сверхпроводящее состояние. Так получают переменный ток с частотой равной частоте магнитного поля.

Для создания резонаторов высокой добротности с небольшим затуханием для изготовления стенок резонатора применяют сверхпроводники, в которых происходит малое затухание.

Примечание 2

Сверхпроводники используют для получения магнитных полей с большой индукцией. Для этого используют сверхпроводниковые сплавы с большой критической индуктивностью. Из них изготавливают проволоку для обмоток трансформаторов.

В подобных обмотках создается ток высокой плотности, значит, электромагнит имеет магнитное поле большой силы. Индукция получаемых полей достигает 10Тл.

В обычных обмотках из меди при магнитном поле 10 Тл выделяется огромное количество тепла, тогда как в сверхпроводниках мощность не рассеивается.

Примечание 3

С помощью сверхпроводящих соленоидов создают сверхсильные магнитные поля, которые применяют для удержания плазмы при термоядерном синтезе. Магнитные поля большой индукции необходимы для работы транспортных средств на магнитной подушке.

Принцип разрушения магнитным полем сверхпроводящего состояния полагается в основу переключающих устройств (криотронов). Пленочные криотроны имеют очень небольшие размеры, короткий интервал переключения (${10}{-9}-{10}{-10}c\ $).

Проблемы практического использования сверхпроводимости заключены в том, что необходимо работать в области очень низких температур. Отыскание сверхпроводящих материалов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около комнатной, открыло бы большие возможности применения таких материалов в науке и технике.

Примечание 4

Первые успехи в этом направлении были сделаны в 1986 г. Беднорцем и Мюллером, которые выяснили, что керамика $La-Ba-Cu-O$ становится сверхпроводником, при температуре $35 К$. За это открытие ученые были удостоены Нобелевской премии в области физики.

Изученные образцы представляли собой смесь нескольких фаз и имели поликристаллическую структуру. Большинство ученых работающих над созданием высокотемпературных сверхпроводников называют подобные материалы «керамикой».

Керамики в нормальном состоянии являются оксидами металлов. Их сложно получить в виде монокристаллов. Они в настоящее время изготавливаются в виде совокупности кристаллов (зерен) довольно слабо связанных друг с другом.

В нормальном состоянии эти соединения имеют удельное сопротивление существенно большее, чем у металлов. У керамик удельное сопротивление растет с ростом температуры (при $T>T_k$). Все металлооксиды имеют слоистую структуру тетрагональной или ромбической симметрии.

При переходе через температуру равную критической, кристаллическая структура высокотемпературный сверхпроводников не изменяется. Как в обычных сверхпроводниках в керамике найдена зависимость критической температуры от массы атомов, которые входят в структуру керамики (изотопический эффект).

В высокотемпературных проводниках переход к состоянию с нулевым удельным сопротивлением происходит в более широком интервале температур, чем в обычных сверхпроводниках. В керамиках наблюдается эффект Мейсснера — Оксенфельда. Для них существует критическое магнитное поле.

Эти материалы относят к сверхпроводникам второго рода. Глубина проникновения магнитного поля в керамиках существенно больше, чем в низкотемпературных сверхпроводниках.

Так в конце восьмидесятых годов были открыты сверхпроводники с температурой перехода около 240 К.

Второй проблемой, сдерживающей развитие сферы применения сверхпроводниковых материалов, служит наличие критического магнитного поля и критических токов. Ограничения по критическому полю и току особенно важны при проектировании и создании сильноточных приборов.

Пример 1

Задание: На сегодняшний день самым точным прибором для измерения магнитных полей служит сверхпроводниковый квантовый интерферометр, который используют в широком диапазоне областей от прогнозирования землетрясений до медицинской диагностики. Действие этого прибора основано на эффекте Джозефсона. Объясните принцип действия этого прибора.

Решение:

Выделяют стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Суть стационарного эффекта в том, что ток может течь через малый зазор между сверхпроводниками в отсутствии внешнего электрического поля.

Это значит, что куперовские пары, которые переносят ток в сверхпроводнике, могут туннелировать из одного сверхпроводника в другой даже через слой диэлектрика.

Туннельный ток проходит через зазор без падения напряжения, если его плотность не выше некоторой критической величины. Этот ток чувствителен к наличию магнитного поля.

В том случае, если плотность туннельного тока превышает критическое значение, то на контакте появляется разность потенциалов и при этом должен появиться высокочастотный переменный ток. Или постоянное напряжение прикладывают к сторонам зазора.

Куперовские пары будут перемещаться через зазор в одном, а затем в противоположном направлении. Появляется переменный ток с частотой, зависящей от приложенного напряжения. Это нестационарный эффект Джозефсона.

В этом эффекте постоянное электрическое поле может порождать переменный ток.

Изготавливается маленький контур из сверхпроводника с двумя зазорами, через которые осуществляются переходы Джозефсона. Через контур пропускают ток. Так получают прибор — квантовый интерферометр.

Ток по цепи прибора может изменяться от 0 (это случай, когда токи, идущие по двум переходам, взаимно гасятся) до максимума (токи имеют одно направление и взаимно усиливаются) и это зависит от величины внешнего магнитного поля.

В настоящее время используя сверхпроводниковый квантовый интерферометр, подключив датчики можно измерить электромагнитные сигналы, которые вырабатывает мозг человека.

Пример 2

Задание: Сверхпроводящие катушки с самоиндукциями $L_1\ \ и\ L_2$ включены в цепь рис.1. Гальванический элемент имеет ЭДС равную $\mathcal E$. Найдите токи в катушках. Коэффициентом взаимной индукции катушек пренебречь.

Рисунок 1.

Решение:

За основу решения задачи примем закон Ома:

\[I=\frac{{\mathcal E}}{R+r}\left(2.1\right),\]

где $R$ — внешнее сопротивление, $r$ — сопротивление источника. До того как источник тока включен поток через сверхпроводящий контур ABCD равен нулю. Он сохранится и после выключения тока, то есть можно записать, что:

\[L_1I_1-L_2I_2=0\left(2.2\right).\]

Из выражения (2.2) следует, что:

\[\frac{I_1}{I_2}=\frac{L_2}{L_1}\left(2.3\right).\]

Из закона Кирхгофа имеем:

\[I_1+I_2=I\ \left(2.4\right).\]

Из уравнений (2.3) и (2.4) следует, что:

\[I_1=\frac{IL_2}{L_1+L_2},\ I_2=\frac{IL_1}{L_1+L_2}.\]

Ответ: $I_1=\frac{IL_2}{L_1+L_2},\ I_2=\frac{IL_1}{L_1+L_2}$, где $I=\frac{{\mathcal E}}{R+r}.$

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/primenenie_sverhprovodnikov/

Применение явления сверхпроводимости

Применение сверхпроводников

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.

Таблица 3. Применение явления сверхпроводимости

ПрименениеПримечания
ЭкранированиеСверхпроводник 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— научно-исследовательское оборудование- магнитная левитацияНТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтезаИнтенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП
Передача энергииПрототипные линии НТСП уже продемонстрировали свою перспективность
АккумулированиеВозможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока
Вычислительные устройстваКомбинация 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.

https://www.youtube.com/watch?v=kDxD2d8dkpk

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.

Источник: https://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/SPF/uchpos/text/5_6.html

Применение сверхпроводников — лекции на ПостНауке

Применение сверхпроводников

ВИДЕО Как сверхпроводники могут помочь оптимизировать процесс передачи электроэнергии? Почему сверхпроводимость на сегодняшний день не имеет глобального распространения? В каких областях физики, транспорта и биотехнологий применение сверхпроводников наиболее перспективно? На эти вопросы отвечает доктор физико-математических наук Владимир Пудалов.

Людям свойственно стремление жить лучше. Каждому это «лучше» представляется по-своему: кто-то думает о четырехразовом питании вместо трехразового, кто-то думает о том, чтобы проводить зиму в Таиланде, кто-то думает о лишней машине, даче и так далее. У каждого свои критерии. Но есть универсальный критерий, который объединяет и усредняет все различные критерии, — он выражает качество жизни в количестве энергии, потребляемой на одного человека.

По этому показателю, к сожалению, наша страна не на самом первом месте. Мы отстаем раза в два-три от Соединенных Штатов. И тут есть связанные с этим печальные объективные обстоятельства.

Дело в том, что если бы мы пытались каждого человека из всего населения Земли снабдить таким количеством энергии (здесь надо понимать, что в эту энергию входит все: и бензин, и продовольствие, и транспорт, и все, что человек потребляет), то наша планета не выдержала бы: тут и парниковый эффект, и истощение природных ресурсов. Все бы пришло в тупик.

Такой путь развития, экстенсивный, когда мы строим электростанции, наращиваем производство энергии, добываем все больше нефти и так далее, сжигаем-сжигаем, — он тупиковый. Может быть, не сегодня: пока мы еще обнаруживаем новые запасы ископаемых. Но когда-нибудь он приведет нас в тупик.

Поэтому совершенно другой путь, который позволяет нам двигаться вперед в смысле улучшения жизни, — это экономия электроэнергии, вообще экономия энергии. И здесь сверхпроводимость оказывается на самом нужном месте.

Давайте вспомним, что электроэнергия добывается далеко, а передать ее нужно в Европу, и линии передачи — это очень неэффективный способ передачи энергии. В них происходят огромные потери.

Вообще высоковольтные линии электропередачи неэффективные на расстояниях больше тысячи или полутора тысяч километров из-за того, что происходят огромные потери на рассеяние.

Передача электроэнергии по медным проводам, даже в низковольтных сетях, связана с тем, что огромное количество энергии теряется.

В моем дачном поселке электроэнергия входит при напряжении в 240 вольт — и он такой длинный, — а в конце поселка напряжение падает до 200 вольт.

Это более чем 20-процентная потеря: 20% электроэнергии уходит просто на нагревание воздуха. В масштабах всей страны может быть потеря еще бо́льшая.

Второе неудобство, которое мы часто испытываем, — это сбои в электроэнергии. В России они происходят не так часто. В Москве на моей памяти только один был крупный сбой в энергосетях.

А в Америке энергетические сети мелкие, поэтому сбои происходят буквально каждый месяц, а может быть, и чаще.

Это диктует необходимость устраивать защиту от токов короткого замыкания, накопителей электроэнергии, которые должны компенсировать скачки при переключении из одной сети в другую.

И наконец, если вы строите крупную сеть из мелких, то вы сталкиваетесь с проблемой, что надо различные куски этой сети синхронизировать по частоте, по фазе: если вы соедините с разной фазой напряжение из разных сетей, у вас произойдет короткое замыкание.

В поисках решения этой проблемы очень помогают сверхпроводящие линии передачи постоянного тока высокого напряжения и большой мощности.

Идея эта давно известна, давно понятна.

Даже в период с 75-го по 85-й год в Брукхейвене (вообще говоря, Лонг-Айленд — это такое замечательное место-полигон, на котором очень много сверхпроводящих решений испытывалось) испытывалась линия передачи на основе сверхпроводников — а тогда еще высокотемпературные сверхпроводники не существовали, — но она была списана за ненадобностью, хотя доказала концептуальные возможности.

Сейчас, когда существуют высокотемпературные сверхпроводники, в которых сверхпроводимость реализуется вплоть до температур 93 кельвина — это гораздо выше, чем температура кипения жидкого воздуха, — казалось бы, можно делать такие линии передач достаточно дешево. Но нет.

Проблема состоит, во-первых, в том, что сам материал — оксид меди — очень анизотропен.

Поэтому его нельзя в виде порошка засунуть в трубу, прокатать и получить провод, его нужно уложить на ленту, стараясь различные зерна ориентировать кристаллографически, чтобы все эти зерна имели ось наименьшей проводимости перпендикулярно плоскости ленты.

Это очень трудная технология, дорогая, поэтому ленты и стоят дорого. На сегодняшний день лента, производимая в Америке, стоит примерно 15 долларов за 1 метр — лента, которая несет ток 100 ампер при температуре жидкого воздуха. В России немножко дешевле, теперь и в России производят такую ленту. Но лента — это далеко не все.

Одна типичная полоска ленты несет ток 100 ампер. Много таких полосок свивают в кабель: 50 таких полосок в одном направлении, потом 50 полосок свивают в другом направлении. Все это помещается поверх трубы, по которой будет течь охлаждающий жидкий воздух. Снаружи — изоляция. Получается сложнейшая конструкция.

И в результате, с учетом затрат на охлаждение, стоимость этих кабелей оказывается выше медных раз в пять.

Поэтому сверхпроводимость на сегодняшний день не имеет глобального распространения, как следовало бы, и все определяется стоимостью проводников. Поэтому понятно стремление физиков делать новые материалы, с более высокими критическими температурами, более технологичные. Это понятная задача.

Существует целый ряд областей, где за затратами не постоят. Во-первых, это научные исследования. Во-вторых, оборона, оборонная промышленность.

Понятно, что в международных проектах термоядерного реактора или Большого адронного коллайдера используется гигантское количество сверхпроводников, потому что из них сделаны магниты, которые удерживают плазму или быстрые частицы.

Но эти проекты осуществлялись еще в то время, когда технология сверхпроводимости была в младенческом возрасте, когда лента была еще дорогой. Поэтому там используются низкотемпературные сверхпроводники. Если бы адронный коллайдер стали проектировать в настоящее время, тогда его бы проектировали на основе новых сверхпроводников.

Вспомним другой замечательный эксперимент в науке — эксперимент по поиску темной материи. Примерно 4/5 вещества во Вселенной невидимо.

Его приписывают темной материи — эту темную материю никто не видел, никто ее не поймал, никто не понимает, как она устроена.

Существует масса теоретических предположений, и даже названия частиц, которые должны составлять темную материю, загадочные: аксионы, хамелеоны и так далее.

Для поиска загадочных аксионов создается экспериментальная установка на базе Ливерморской национальной лаборатории.

Она будет состоять из большого количества магнитов, которые создают магнитное поле в диапазоне от 5 до 7 тесла, и, согласно представлениям, аксионы, если существуют, должны попадать в это магнитное поле, и в магнитном поле они должны терять свою энергию, испускать фотоны. Здесь сверхпроводимость работает для создания магнитного поля.

Это с одной стороны. С другой стороны, сами фотоны слабые, их интенсивность мала, и для их улавливания используются датчики на основе сверхпроводников и на основе эффекта сверхпроводимости. Это один из многочисленных примеров.

Другой замечательный пример, который, может быть, ближе и интересней слушателям, связан с проблемой транспорта. Транспорт на магнитной подушке — это давняя идея: освободить движение наземного транспорта от трения и таким образом развивать большую скорость, экономить выбрасывание углекислого газа в атмосферу, передвигать людей с большей скоростью, бесшумно и так далее.

Наиболее известен проект, который осуществляется в Японии уже более 15 лет. Там есть железная дорога от Токио до Нагои и от Нагои до Осаки. Это дорога длиной около 300 с лишним километров, и поезда там курсируют — синкансэн, известный поезд — со средней скоростью чуть меньше 300 км/ч. И это мало.

Потому что далеко не все люди согласны проводить столько времени в поезде, и многие еще летают на самолетах, а самолет — это главный источник загрязнения воздуха.

Поэтому параллельно с этой дорогой на участке 15 километров построена линия с магнитной подвеской, на которой в опытном порядке 15 лет эксплуатировался поезд, перевозящий пассажиров с рекордной скоростью 580 км/ч — крейсерская скорость близка к этому.

Этот поезд был испытан в самых различных режимах: и круглосуточная эксплуатация, и движение двух поездов навстречу друг другу на скорости 580 км/ч, и режимы сбоя электроэнергии, и все что угодно. Проект показал эффективность, и дальше вся дорога переводится на магнитную подвеску.

В нашей стране применение транспорта на магнитной подушке могло бы быть еще более широким, чем в Японии, потому что у нас проблема транспортных дорог и вообще транспорта одна из самых больных.

Масштаб применения сверхпроводников на основе купратов меди в электроэнергетике можно проиллюстрировать таким фактом: в Китае, который сейчас очень интенсивно развивает эту технологию, имеются проекты около 35 линий передач, которые должны быть воплощены в период до 2020 года, и на какие-то гигантские мощности, вплоть до нескольких гигаватт. Эти проекты развиваются, китайцы относятся к этому серьезно.

Обнаружено новое сверхпроводящее состояние

Другой пример области, где высокотемпературная сверхпроводимость может быть успешно воплощена, — это очистка воды.

Казалось бы, какое отношение грязная вода имеет к сверхпроводимости? Очень просто: химики синтезировали ряд соединений, содержащих в себе железо, которое очень хорошо поглощает бактерии, и, таким образом, можно, подсыпая этот порошок в воду, коагулировать всю грязь, все грязные вещества, которые содержатся в воде, а потом, прокачивая воду через сильное магнитное поле, ее очищать. Этот способ эффективно работает.

Вторая неожиданная область, где можно вспомнить про сверхпроводимость, — это ветрогенераторы.

Для нашей страны, для средней части, для равнинной, они не так актуальны, а в прибрежных странах с большой прибрежной линией ветрогенераторы занимают все бо́льшую долю в производстве электроэнергии. Пропеллер этих ветрогенераторов или сам вал крутится очень медленно.

Поэтому обычные способы преобразования механической энергии в электрическую не очень эффективны. Здесь машины со сверхпроводящими обмотками оказываются применимы и обеспечивают хорошую выгоду.

Наконец, применение всевозможных электромоторов с вращающимся якорем из сверхпроводника обеспечивает понижение веса, весогабаритов. Это очень важно для морских судов, для военного применения. В транспорте высокотемпературная сверхпроводимость имеет много ниш, где может быть успешно применена.

Наконец, я хочу упомянуть еще одну область.

Сейчас при расшифровке белков, при производстве новых лекарств в фармакологии, в биохимии, для расшифровки различных молекулярных соединений оказывается более употребительным метод ядерного магнитного резонанса, нежели метод рентгеновской спектроскопии, который несколько лет назад был преобладающим.

Для того чтобы более точно получать информацию о структуре сложнейших белков, нужно как можно более высокое разрешение этих ядерных спектрометров, чтобы можно было гораздо больше линий в суммарном спектре этого резонанса наблюсти, и тогда легче отождествить, расшифровать структуру молекулы.

А для того, чтобы получить более высокое разрешение, нужно повышать частоту ядерного магнитного резонанса, а она связана простым соотношением с магнитным полем, значит, нужны спектрометры, которые работают в более сильных магнитных полях. И здесь без высокотемпературных сверхпроводников не обойтись.

Источник: https://postnauka.ru/video/42800

Booksm
Добавить комментарий