في المستقبل القريب ، سيتم تصنيع جميع كابلات الطاقة من مواد فائقة التوصيل

مبدأ الموصلية الفائقة. تأثير المجال المغناطيسي

يرتبط تدفق التيار في الموصلات دائمًا بفقدان الطاقة ، أي مع انتقال الطاقة من الكهربائية إلى الحرارية. هذا التحول لا رجعة فيه ، ويرتبط التحول العكسي فقط مع الانتهاء من العمل ، حيث أن الديناميكا الحرارية تتحدث عن هذا. هناك ، مع ذلك ، إمكانية تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية واستخدام ما يسمى التأثير الحراري ، عندما يتم استخدام اتصالين لموصلين ، أحدهما يتم تسخينه ويتم تبريد الآخر.

في الواقع ، وهذه الحقيقة مثيرة للدهشة ، هناك عدد من الموصلات ، وفي ظل ظروف معينة ، لا يوجد فقدان للطاقة أثناء تدفق التيار! في الفيزياء الكلاسيكية ، هذا التأثير غير مفهوم.

وفقًا للنظرية الإلكترونية الكلاسيكية ، تحدث حركة حامل الشحنة في مجال كهربائي متسارع بشكل منتظم حتى تصطدم بعيب هيكلي أو باهتزاز شبكي. بعد الاصطدام ، إذا كان غير مرن ، مثل تصادم لكرتين من البلاستيسين ، يفقد الإلكترون الطاقة ، وينقلها إلى شبكة من ذرات المعادن. في هذه الحالة ، من حيث المبدأ ، لا يمكن أن يكون هناك الموصلية الفائقة.

اتضح أن الموصلية الفائقة لا تظهر إلا عند أخذ التأثيرات الكمية في الاعتبار. من الصعب تخيل ذلك. يمكن الحصول على فكرة ضعيفة عن آلية الموصلية الفائقة من الاعتبارات التالية.

اتضح ، بالنظر إلى أن الإلكترون يمكن أن يستقطب ذرة الشبكة الأقرب لها ، أي اسحبه قليلاً تجاهك بسبب عمل قوة Coulomb ، ثم ستقوم ذرة الشبكة هذه بتحويل الإلكترون التالي قليلاً. يتم تشكيل رابطة زوج من الإلكترونات ، كما كانت.

عندما يتحرك الإلكترون ، يدرك المكون الثاني للزوج ، كما كان ، الطاقة التي ينتقل إليها الإلكترون إلى ذرة الشبكة. اتضح أننا إذا أخذنا في الاعتبار طاقة زوج من الإلكترونات ، فإنه لا يتغير أثناء الاصطدام ، أي لا يحدث فقدان الطاقة الإلكترون! وتسمى أزواج الإلكترون هذه أزواج كوبر.

بشكل عام ، من الصعب فهم الشخص الذي لديه أفكار جسدية ثابتة. من الأسهل فهمك ، على الأقل يمكنك اعتباره أمرًا مسلّمًا به.

الموصلية الفائقةكذلك الميوعةتم العثور عليها في التجارب في درجات حرارة منخفضة للغاية ، بالقرب من درجات حرارة الصفر المطلقة. كلما اقتربت من الصفر المطلق ، تجمدت اهتزازات الشبكة. تتناقص مقاومة التدفق الحالي حتى وفقًا للنظرية الكلاسيكية ، ولكن إلى الصفر عند درجة حرارة حرجة معينة T_مع، فإنه ينخفض ​​فقط وفقا لقوانين الكم.

تم اكتشاف الموصلية الفائقة بواسطة ظاهرتين: أولاً ، حول حقيقة اختفاء المقاومة الكهربائية ، وثانياً ، على المغناطيسية المغناطيسية. الظاهرة الأولى واضحة - إذا مررت ببعض التيار أنا من خلال موصل ، ثم عن طريق انخفاض الجهد U على الموصل يمكنك تحديد المقاومة R = U / I. اختفاء التوتر يعني اختفاء المقاومة على هذا النحو.

الظاهرة الثانية تتطلب دراسة أكثر تفصيلا. منطقيا ، فإن عدم وجود مقاومة مماثلة للطبيعة المطلقة للمادة المغناطيسية للمادة. في الواقع ، تخيل تجربة صغيرة. سوف نقدم مواد فائقة التوصيل في منطقة المجال المغناطيسي. وفقًا لقانون جول لينز ، يجب أن يحدث تيار في الموصل يعوض تمامًا عن التغير في التدفق المغناطيسي ، أي كان التدفق المغناطيسي من خلال الموصل الفائق صفراً ويبقى صفراً. في موصل التقليدية ، وهذا يتحلل الحالي ، ل موصل لديه مقاومة. عندها فقط يخترق المجال المغناطيسي الموصل. في موصل فائق ، لا يتلاشى.هذا يعني أن التيار المتدفق يؤدي إلى تعويض كامل للحقل المغناطيسي داخل نفسه ، أي الحقل لا يخترقه. من وجهة النظر الرسمية ، يعني مجال الصفر أن النفاذية المغناطيسية للمادة هي صفر ، م = 0 أي الجسم يتجلى باعتباره diamagnet المطلقة.

ومع ذلك ، فإن هذه الظواهر مميزة فقط للحقول المغناطيسية الضعيفة. اتضح أن مجال مغناطيسي قوي يمكن أن يخترق المواد ، علاوة على ذلك ، يدمر الموصلية الفائقة نفسها! تقديم مفهوم المجال الحرج ب_معالذي يدمر موصل فائق. يعتمد ذلك على درجة الحرارة: أقصى درجة حرارة قريبة من الصفر ، يختفي عند الانتقال إلى درجة حرارة حرجة T_مع. لماذا من المهم بالنسبة لنا معرفة التوتر (أو الحث) الذي تختفي فيه الموصلية الفائقة؟ الحقيقة هي أنه عندما يتدفق التيار عبر موصل فائق ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي ماديًا حول الموصل ، والذي يجب أن يعمل على الموصل.

على سبيل المثال ، لموصل أسطواني من دائرة نصف قطرها ص وضعت في وسط مع نفاذية مغناطيسية م، الحث المغناطيسي على السطح وفقا لقانون Bio-Savard-Laplace سيكون

B = م₀× م ×أنا / 2صص (1)

كلما كان التيار أكبر ، كان الحقل أكبر. وهكذا ، مع وجود بعض الحث (أو التوتر) ، تختفي الموصلية الفائقة ، وبالتالي ، لا يمكن تمرير سوى تيار أقل من الذي يخلق الحث الحرج من خلال الموصل.

وبالتالي ، بالنسبة للمواد فائقة التوصيل ، لدينا معلمتان: الحث المغناطيسي للمجال المغناطيسي B_مع ودرجة الحرارة الحرجة T_مع.  

بالنسبة للمعادن ، تكون درجات الحرارة الحرجة قريبة من درجات حرارة الصفر المطلقة. هذا هو مجال ما يسمى درجات حرارة "الهيليوم" ، قابلة للمقارنة مع درجة غليان الهليوم (4.2 كلفن). فيما يتعلق بالتعريف النقدي ، يمكننا القول إنه صغير نسبيًا. يمكن مقارنتها مع الحث في المحولات (1-1.5 T). أو على سبيل المثال مع الحث بالقرب من السلك. على سبيل المثال ، نحسب الحث في الهواء بالقرب من سلك يبلغ نصف قطره 1 سم وبتيار 100 أ.

م₀ = 4ص 10^-7 GN / م
م = 1, أنا = 100 ألف ،
ص = 10^-2م.

بدلًا من التعبير (1) نحصل على B = 2 mT ، أي قيمة تقابل القيمة الحرجة تقريبًا. هذا يعني أنه إذا تم وضع مثل هذا الموصل في خط كهرباء ، على سبيل المثال 6 كيلو فولت ، فإن الطاقة القصوى التي يمكن نقلها خلال كل مرحلة ستكون P_م = U_وأنا = 600 كيلو واط. يوضح المثال الذي تم النظر فيه أن المجال المغنطيسي الداخلي يحد من القدرة على نقل الطاقة عبر سلك مبرد. علاوة على ذلك ، كلما كانت درجة الحرارة أقرب إلى درجة الحرارة الحرجة ، انخفضت قيمة الحث الحرجة.

درجات حرارة منخفضة الموصلات الفائقة

أعلاه ، لقد ركزت بالفعل على بعض المواد المحددة فائقة التوصيل. من حيث المبدأ ، فإن خاصية الموصلية الفائقة هي سمة لجميع المواد تقريبًا. فقط لمعظم الموصلات كهربائيا - النحاس والفضة (التناقض؟) لم يتم الكشف عن الموصلية الفائقة. إن التطبيق المحدد للموصلية الفائقة في قطاع الطاقة أمر مغر: فامتلاك خطوط طاقة بدون خسارة سيكون أمرًا رائعًا. تطبيق آخر هو مولد مع اللفات فائقة التوصيل. تم تطوير عينة من هذا المولد في سان بطرسبرغ ، وأجريت اختبارات ناجحة. الخيار الثالث هو مغناطيس كهربائي ، يمكن التحكم في تحريضه بطريقة خاضعة للرقابة اعتمادا على القوة الحالية.

مثال آخر هو تخزين حثي فائق التوصيل. تخيل لفائف ضخمة من موصل فائق التوصيل. إذا قمت بضخ التيار فيه بطريقة ما وأغلقت أسلاك الإدخال والإخراج ، فإن التيار في الملف سوف يتدفق إلى أجل غير مسمى. وفقا لقانون معروف ، سيتم وضع الطاقة في ملف

ث = ل× أنا²/2

حيث L- لفائف الحث. من الناحية النظرية ، يمكن للمرء أن يتخيل أنه في وقت ما توجد طاقة زائدة في نظام الطاقة ، ويتم نقل الطاقة منه إلى جهاز التخزين هذا. هنا يتم تخزينها طالما كان ذلك ضروريا حتى الحاجة إلى الطاقة. ثم يتم ضخه تدريجياً بشكل مضغوط مرة أخرى في نظام الطاقة.

في الفيزياء وتكنولوجيا الموصلية الفائقة ، هناك أيضًا نظائر منخفضة التيار للعناصر الراديوية للإلكترونيات التقليدية. على سبيل المثال ، في الأنظمة "الموصلات الفائقة - طبقة رقيقة من المعدن المقاوم (أو العازلة) - الموصل الفائق" ، هناك عدد من الآثار المادية الجديدة التي يمكن استخدامها بالفعل في الإلكترونيات. هذا هو تقدير التدفق المغناطيسي في حلقة تحتوي على مثل هذا العنصر ، وإمكانية حدوث تغير مفاجئ في التيار اعتمادًا على الجهد عندما يتعرض النظام لإشعاع ضعيف ، ومصادر الجهد القياسية المبنية على هذا المبدأ بدقة 10^-10 ب. بالإضافة إلى ذلك ، هناك عناصر تخزين ، محولات تمثيلية إلى رقمية ، إلخ. هناك حتى بعض تصاميم الكمبيوتر الموصلات الفائقة.

إن الحاجة الملحة لمشكلة التصغير الميكروي باستخدام أشباه الموصلات هي أنه حتى إطلاق طاقة صغيرة في حجم صغير للغاية يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة كبير وأن مشكلة تبديد الحرارة شديدة.

هذه المشكلة ذات أهمية خاصة لأجهزة الكمبيوتر العملاقة. اتضح أن تدفقات الحرارة المحلية للرقاقة الدقيقة يمكن أن تصل إلى كيلووات لكل سنتيمتر مربع. لا يمكن إزالة الحرارة بالطريقة المعتادة ، عن طريق نفخ الهواء. اقترحوا إزالة حالة الدوائر الصغيرة وتهب مباشرة microcrystal. هنا نشأت مشكلة سوء نقل الحرارة إلى الهواء. كانت الخطوة التالية هي ملء كل شيء بالسائل وإزالة الحرارة عن طريق غليان السائل على هذه العناصر. يجب أن يكون السائل نظيفًا جدًا ، ولا يحتوي على جسيمات دقيقة ، ولا يغسل أيًا من العناصر العديدة للكمبيوتر. حتى الآن ، لم يتم حل هذه القضايا بالكامل. يتم إجراء الأبحاث باستخدام سوائل الفلور العضوي.

في أجهزة الكمبيوتر فائقة التوصيل ، لا توجد مثل هذه المشاكل ، لأن لا خسارة. ومع ذلك ، فإن تبريد المعدات إلى درجات حرارة مبردة يتطلب الكثير من التكاليف. علاوة على ذلك ، كلما اقتربت من الصفر المطلق - زادت التكلفة. علاوة على ذلك ، فإن الاعتماد غير خطي ، بل هو أقوى من الاعتماد التناسبي عكسياً.

ينقسم مقياس درجة الحرارة في المنطقة المبردة بشكل تقليدي إلى عدة مناطق وفقًا لنقاط غليان الغازات المسالة: الهيليوم (أقل من 4.2 K) ، الهيدروجين 20.5 K ، النيتروجين 77 K ، الأكسجين 90 K ، الأمونيا (-33) °C). إذا كان من الممكن العثور على مادة ذات نقطة غليان بالقرب من أو فوق الهيدروجين ، فتكلفة صيانة الكابل في حالة العمل ستكون أقل بعشر مرات من درجات حرارة الهليوم. عند الانتقال إلى درجات حرارة النيتروجين ، سيكون هناك مكسب بعدة أوامر من الحجم. لذلك ، فإن المواد فائقة التوصيل التي تعمل في درجات حرارة الهيليوم ، على الرغم من اكتشافها قبل أكثر من 80 عامًا ، لا تزال غير موجودة في قطاع الطاقة.

تجدر الإشارة إلى أن المحاولات اللاحقة لتطوير جهاز التشغيل المبردة تتم بعد كل طفرة في التكنولوجيا. أدت التطورات في التكنولوجيا إلى خلائط تتمتع بأفضل خصائص الحث ودرجة الحرارة.

لذلك في أوائل سبعينيات القرن الماضي ، كان هناك طفرة في دراسة ستانيد النيوبيوم ملحوظة₃القصدير. لديه ب_مع = 22 تي ، و تي_مع= 18 K. ومع ذلك ، في هذه الموصلات الفائقة ، وعلى عكس المعادن ، يكون تأثير الموصلية الفائقة أكثر تعقيدًا. اتضح أن لديهم قيمتين من التوتر الحرج ب_C0 و ب_C1.  

في الفجوة بينهما ، لا توجد مادة مقاومة للتيار المباشر ، ولكن لديها مقاومة محدودة للتيار المتناوب. وعلى الرغم من في_C0 كبيرة بما يكفي ، ولكن قيم التعريفي الحاسم الثاني_C1 يختلف قليلا عن القيم المقابلة للمعادن. تسمى الموصلات الفائقة "البسيطة" الموصلات الفائقة من النوع الأول ، والموصلات الفائقة "المعقدة" من النوع الثاني.

لا تحتوي المركبات الفلزية الجديدة على ليونة المعادن ، لذلك تم حل السؤال في وقت واحد حول كيفية صنع عناصر ممتدة مثل الأسلاك من مواد هشة.تم تطوير العديد من الخيارات ، بما في ذلك إنشاء مركبات مثل كعكة طبقة مع المعادن البلاستيكية ، مثل النحاس ، وترسب intermetals على الركيزة النحاسية ، وما إلى ذلك ، والتي كانت مفيدة في تطوير السيراميك فائقة التوصيل.

فائق التوصيل السيراميك

كانت الخطوة الجذرية التالية في دراسة الموصلية الفائقة محاولة للعثور على الموصلية الفائقة في أنظمة الأكسيد. كانت الفكرة الغامضة للمطورين هي أنه في الأنظمة التي تحتوي على مواد ذات الموصلية الفائقة المتغيرة ممكنة ، وفي درجات حرارة أعلى. الأنظمة الثنائية ، أي يتكون من اثنين من أكاسيد مختلفة. لم يكن من الممكن العثور على الموصلية الفائقة. وفقط في النظم الثلاثية باو لا₂O₃-CuO في عام 1986 ، تم الكشف عن الموصلية الفائقة عند درجة حرارة 30-35 K. لهذا العمل ، حصل Bednorts و Muller على جائزة نوبل في ما يلي ، (!!) 1987

أدت الدراسات المكثفة للمركبات ذات الصلة خلال العام إلى اكتشاف الموصلية الفائقة في النظام باو-Y₂O₃-CuO عند درجة حرارة 90 K. في الواقع ، يتم الحصول على الموصلية الفائقة في نظام أكثر تعقيدًا ، يمكن تمثيل صيغة YBA₂النحاس₃O_7-د. قيمة د لأعلى درجة حرارة المواد فائقة التوصيل هو 0.2. هذا لا يعني فقط نسبة معينة من أكاسيد البدء ، ولكن أيضًا انخفاض نسبة الأكسجين.

في الواقع ، إذا قمت بحساب التكافؤ ، فإن الإيتريوم - 3 ، والباريوم - اثنان ، والنحاس 1 أو 2. ثم تحتوي المعادن على تكافؤ إجمالي يبلغ 10 أو 13 ، والأكسجين به أقل قليلاً من 14. لذلك ، يوجد في هذه السيراميك فائض من الأكسجين بالنسبة إلى العوامل الكيميائية المتكافئة. النسبة.

يتم إنتاج السيراميك باستخدام تقنية السيراميك التقليدية. كيفية صنع الأسلاك من مادة هشة؟ في إحدى الطرق ، يتم تعليق المسحوق في مذيب مناسب ، ثم يتم إجبار المحلول على الموت ، وتجفيفه وتجليحه على أسطوانة. يتم الإزالة النهائية للرباط عن طريق الاحتراق ، السلك جاهز. خصائص هذه الألياف: درجات الحرارة الحرجة 90-82 كلفن ، عند 100 كلفن ص= 12 mOhm · cm ، (مثل الجرافيت تقريبًا) ، كثافة التيار الحرجة 4000 A / m².

دعونا نتطرق إلى الرقم الأخير. هذه القيمة منخفضة للغاية للاستخدام في قطاع الطاقة. مقارنة مع كثافة التيار الاقتصادي (~1 / مم²) ، يتبين أنه في السيراميك تكون الكثافة الحالية أقل 250 مرة. حقق العلماء في هذه المسألة وتوصلوا إلى استنتاج مفاده أن جهات الاتصال غير الموصلة الفائقة هي المسؤولة. في الواقع ، حصلت البلورات المفردة على كثافات حالية تصل إلى كثافة التيار الاقتصادي. وفي العامين أو الثلاثة أعوام الماضية ، تم الحصول على أسلاك خزفية تتجاوز كثافتها الحالية كثافة التيار الاقتصادي.

في عام 1999 ، تم تشغيل كابل فائق التوصيل يربط محطتي مترو في اليابان. تم تصنيع الكابل باستخدام تقنية "ساندويتش" ، أي يقع السيراميك الهش فيه بين طبقتين من النحاس المرن والقابل للدهن. العزل ، وفي الوقت نفسه ، المبرد هو النيتروجين السائل.

ما رأيك هي واحدة من المشاكل الرئيسية مع هذا الكابل؟ يمكنك تخمين نوقشت هذه القضايا سابقا فيما يتعلق العزلة. اتضح أن فقدان العزل الكهربائي في عازل رائع مثل النيتروجين السائل يدفئ ، الأمر الذي يتطلب عناية مستمرة لتبريد إضافي.

لكن أنالا تستسلم ، ووفقًا لوكالات الأخبار في اليابان ، تنوي تيبكو إنشاء أول شبكات فائقة التوصيل لتوصيل الكهرباء للمباني السكنية. في المرحلة الأولى ، سيتم وضع حوالي 300 كيلومتر من هذه الكابلات في يوكوهاما ، والتي ستغطي حوالي نصف مليون مبنى!