En un futuro cercano, todos los cables de alimentación estarán hechos de materiales superconductores.

El principio de superconductividad. Efecto de campo magnético

El flujo de corriente en los conductores siempre está asociado con pérdidas de energía, es decir. con la transición de energía de eléctrica a térmica. Esta transición es irreversible, la transición inversa se asocia solo con la finalización del trabajo, ya que la termodinámica habla de esto. Sin embargo, existe la posibilidad de convertir la energía térmica en energía eléctrica y utilizar el llamado efecto termoeléctrico, cuando se usan dos contactos de dos conductores, uno de los cuales se calienta y el otro se enfría.

De hecho, y este hecho es sorprendente, hay una serie de conductores en los que, bajo ciertas condiciones, ¡no hay pérdida de energía durante el flujo de corriente! En física clásica, este efecto es inexplicable.

Según la teoría electrónica clásica, el movimiento de un portador de carga se produce en un campo eléctrico uniformemente acelerado hasta que colisiona con un defecto estructural o con una vibración reticular. Después de una colisión, si es inelástica, como una colisión de dos bolas de plastilina, un electrón pierde energía, transfiriéndola a una red de átomos de metal. En este caso, en principio, no puede haber superconductividad.

Resulta que la superconductividad aparece solo cuando se tienen en cuenta los efectos cuánticos. Es difícil imaginarlo. Se puede obtener una idea débil del mecanismo de superconductividad a partir de las siguientes consideraciones.

Resulta que, dado que el electrón puede polarizar el átomo de la red más cercana a él, es decir jálelo ligeramente hacia usted debido a la acción de la fuerza de Coulomb, luego este átomo reticular desplazará ligeramente el siguiente electrón. Se forma un enlace de un par de electrones, por así decirlo.

Cuando el electrón se mueve, el segundo componente del par percibe la energía que el electrón transfiere al átomo de la red. Resulta que si tenemos en cuenta la energía de un par de electrones, entonces no cambia durante una colisión, es decir. ¡no se produce pérdida de energía electrónica! Tales pares de electrones se llaman pares de Cooper.

En general, es difícil de entender para una persona con ideas físicas establecidas. Es más fácil de entender, al menos puede darlo por sentado.

Superconductividadtambién superfluidezse encontraron en experimentos a temperaturas ultrabajas, cerca de temperaturas cero absolutas. A medida que se acerca al cero absoluto, las vibraciones de la red se congelan. La resistencia al flujo de corriente disminuye incluso según la teoría clásica, pero a cero a cierta temperatura crítica T_con, disminuye solo de acuerdo con las leyes cuánticas.

La superconductividad fue descubierta por dos fenómenos: en primer lugar, sobre el hecho de la desaparición de la resistencia eléctrica, y en segundo lugar, sobre el diamagnetismo. El primer fenómeno es claro: si pasa cierta corriente Yo a través del conductor, luego por la caída de voltaje U en el conductor puedes determinar la resistencia R = U / I. La desaparición de la tensión significa la desaparición de la resistencia como tal.

El segundo fenómeno requiere una consideración más detallada. Lógicamente, la ausencia de resistencia es idéntica a la naturaleza diamagnética absoluta del material. De hecho, imagina una pequeña experiencia. Introduciremos material superconductor en la región del campo magnético. De acuerdo con la ley de Joule-Lenz, debe producirse una corriente en el conductor que compense completamente el cambio en el flujo magnético, es decir. El flujo magnético a través del superconductor fue cero y sigue siendo cero. En un conductor convencional, esta corriente decae, porque El conductor tiene una resistencia. Solo entonces un campo magnético penetra en el conductor. En un superconductor, no se desvanece.Esto significa que la corriente que fluye conduce a una compensación completa del campo magnético dentro de sí mismo, es decir. el campo no penetra en él. Desde un punto de vista formal, un campo cero significa que la permeabilidad magnética del material es cero, m = 0 i.e. El cuerpo se manifiesta como un diamagnet absoluto.

Sin embargo, estos fenómenos son característicos solo para campos magnéticos débiles. Resulta que un fuerte campo magnético puede penetrar en el material, además, ¡destruye la superconductividad misma! Introducir el concepto de campo crítico B_conque destruye un superconductor. Depende de la temperatura: máximo a una temperatura cercana a cero, desaparece tras la transición a una temperatura crítica T_con. ¿Por qué es importante para nosotros saber la tensión (o inducción) a la que desaparece la superconductividad? El hecho es que cuando una corriente fluye a través de un superconductor, se crea físicamente un campo magnético alrededor del conductor, que debe actuar sobre el conductor.

Por ejemplo, para un conductor cilíndrico de radio r colocado en un medio con permeabilidad magnética m, la inducción magnética en la superficie de acuerdo con la ley de Bio-Savard-Laplace será

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Cuanto mayor es la corriente, mayor es el campo. Por lo tanto, con cierta inducción (o tensión), la superconductividad desaparece y, por lo tanto, solo una corriente menor que la que crea una inducción crítica puede pasar a través del conductor.

Por lo tanto, para un material superconductor, tenemos dos parámetros: inducción crítica de campo magnético B_con y temperatura crítica T_con.  

Para los metales, las temperaturas críticas son cercanas a las temperaturas cero absolutas. Esta es el área de la llamada Temperaturas de "helio", comparables con el punto de ebullición del helio (4.2 K). En cuanto a la inducción crítica, podemos decir que es relativamente pequeña. Se puede comparar con la inducción en transformadores (1-1.5 T). O, por ejemplo, con inducción cerca del cable. Por ejemplo, calculamos la inducción en el aire cerca de un cable con un radio de 1 cm con una corriente de 100 A.

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

Sustituyendo en la expresión (1) obtenemos B = 2 mT, es decir, un valor aproximadamente correspondiente a crítico. Esto significa que si dicho conductor se coloca en una línea de alimentación, por ejemplo 6 kV, la potencia máxima que se puede transmitir a través de cada fase será P_m = U_f· Yo = 600 kW. El ejemplo considerado muestra que el campo magnético intrínseco limita la capacidad de transferir energía a través de un cable criogénico. Además, cuanto más cerca esté la temperatura de la temperatura crítica, menor será el valor crítico de inducción.

Superconductores de baja temperatura.

Arriba, ya me he centrado en algunos materiales superconductores específicos. En principio, la propiedad de la superconductividad es característica de casi todos los materiales. Solo para los más conductores de la electricidad: cobre, plata (¿paradoja?) No se detecta la superconductividad. La aplicación específica de la superconductividad en el sector energético es tentadora: tener líneas eléctricas sin pérdidas sería maravilloso. Otra aplicación es un generador con bobinados superconductores. Se desarrolló una muestra de dicho generador en San Petersburgo, y se realizaron pruebas exitosas. La tercera opción es un electroimán, cuya inducción se puede controlar de manera controlada dependiendo de la intensidad actual.

Otro ejemplo es un almacenamiento inductivo superconductor. Imagine una gran bobina de conductor superconductor. Si le inyecta corriente de alguna manera y cierra los cables de entrada y salida, entonces la corriente en la bobina fluirá indefinidamente. De acuerdo con una ley bien conocida, la energía estará encerrada en una bobina

W = l× Yo²/2

donde L- inductancia de bobina. Hipotéticamente, uno puede imaginar que en algún momento hay un exceso de energía en el sistema energético, la energía se extrae de él a dicho dispositivo de almacenamiento. Aquí se almacena durante el tiempo que sea necesario hasta la necesidad de energía. Luego se bombea gradualmente y de forma controlable al sistema de energía.

En física y tecnología de superconductividad, también hay análogos de baja corriente de los elementos de radio de la electrónica convencional. Por ejemplo, en los sistemas "superconductor - una capa delgada de metal resistivo (o dieléctrico) - superconductor" es posible una serie de nuevos efectos físicos que ya se utilizan en la electrónica. Esta es la cuantificación del flujo magnético en un anillo que contiene dicho elemento, la posibilidad de un cambio abrupto en la corriente dependiendo del voltaje cuando el sistema está expuesto a radiación débil, y las fuentes de voltaje estándar construidas sobre este principio con una precisión de 10^-10 B. Además, hay elementos de almacenamiento, convertidores analógico a digital, etc. Incluso hay algunos diseños de computadora superconductores.

La urgencia del problema de la microminiaturización con semiconductores es que incluso una pequeña liberación de energía en un volumen muy pequeño puede provocar un sobrecalentamiento significativo y el problema de la disipación de calor es grave.

Este problema es especialmente relevante para las supercomputadoras. Resulta que los flujos de calor locales de microchips pueden alcanzar kilovatios por centímetro cuadrado. No es posible eliminar el calor de la manera habitual, soplando aire. Sugirieron quitar la caja de microcircuitos y soplar directamente el microcristal. Aquí surgió el problema de la mala transferencia de calor al aire. El siguiente paso fue llenar todo con líquido y eliminar el calor hirviendo el líquido sobre estos elementos. El líquido debe estar muy limpio, no contener micropartículas, no eliminar ninguno de los muchos elementos de la computadora. Hasta ahora, estos problemas no se han resuelto por completo. La investigación se lleva a cabo con fluidos organofluorados.

En las computadoras superconductoras, no existen tales problemas, porque sin pérdida Sin embargo, enfriar el equipo a temperaturas criogénicas requiere muchos costos. Además, cuanto más cercano al cero absoluto, mayor es el costo. Además, la dependencia no es lineal, es incluso más fuerte que la dependencia inversamente proporcional.

La escala de temperatura en la región criogénica se divide convencionalmente en varias áreas según los puntos de ebullición de los gases licuados: helio (por debajo de 4.2 K), hidrógeno 20.5 K, nitrógeno 77 K, oxígeno 90 K, amoníaco (-33 °C) Si pudiéramos encontrar un material con un punto de ebullición cercano o superior al hidrógeno, el costo de mantener el cable en condiciones de funcionamiento sería diez veces menor que para las temperaturas de helio. Tras la transición a las temperaturas de nitrógeno, habría una ganancia de varios órdenes de magnitud. Por lo tanto, los materiales superconductores que funcionan a temperaturas de helio, aunque se descubrieron hace más de 80 años, aún no han encontrado aplicación en el sector energético.

Cabe señalar que los intentos posteriores de desarrollar un dispositivo criogénico operativo se realizan después de cada uno de los avances tecnológicos. Los avances tecnológicos han dado lugar a aleaciones que tienen las mejores características críticas de inducción y temperatura.

Entonces, a principios de los años 70, hubo un auge en el estudio del niobio de stannide Nb₃Sn. El tiene B_con = 22 T, y T_con= 18 K. Sin embargo, en estos superconductores, en contraste con los metales, el efecto de la superconductividad es más complicado. Resulta que tienen dos valores de la tensión crítica B_c0 y B_s1.  

En el espacio entre ellos, el material no tiene resistencia a la corriente continua, pero tiene una resistencia finita a la corriente alterna. Y aunque en_c0 suficientemente grande, pero los valores de la segunda inducción crítica B_s1 difiere poco de los valores correspondientes para metales. Los superconductores "simples" se denominan superconductores del primer tipo y "complejos": superconductores del segundo tipo.

Los nuevos compuestos intermetálicos no tienen la ductilidad de los metales, por lo que la pregunta se resolvió simultáneamente sobre cómo hacer elementos extendidos, como cables de materiales frágiles.Se han desarrollado varias opciones, incluida la creación de compuestos como una torta de capa con metales plásticos, como el cobre, la deposición de intermetales en un sustrato de cobre, etc., que fue útil en el desarrollo de cerámicas superconductoras.

Cerámica superconductora

El siguiente paso radical en el estudio de la superconductividad fue un intento de encontrar la superconductividad en los sistemas de óxido. La vaga idea de los desarrolladores era que en los sistemas que contienen sustancias con valencia variable, la superconductividad es posible y a temperaturas más altas. Sistemas binarios, es decir que consta de dos óxidos diferentes. No fue posible encontrar superconductividad. Y solo en sistemas triples Bao-la₂O₃-CuO en 1986, se detectó superconductividad a una temperatura de 30-35 K. Por este trabajo, Bednorts y Muller recibieron el Premio Nobel en el siguiente, (!!) 1987

Los estudios intensivos de compuestos relacionados durante el año condujeron al descubrimiento de la superconductividad en el sistema. Bao-y₂O₃-CuO a una temperatura de 90 K. De hecho, la superconductividad se obtiene en un sistema aún más complejo, cuya fórmula se puede representar como Yba₂Cu₃O_7-d. Valor d para la temperatura más alta el material superconductor es 0.2. Esto significa no solo un cierto porcentaje de los óxidos de partida, sino también un contenido reducido de oxígeno.

De hecho, si calcula por valencia, entonces itrio - 3, bario - dos, cobre 1 o 2. Entonces los metales tienen una valencia total de 10 o 13, y el oxígeno tiene un poco menos de 14. Por lo tanto, en esta cerámica hay un exceso de oxígeno en relación con el estequiométrico correlación

Las cerámicas se producen utilizando tecnología cerámica convencional. ¿Cómo hacer cables de una sustancia frágil? Una forma, se prepara una suspensión del polvo en un disolvente adecuado, luego la solución se fuerza a través de una matriz, se seca y se enrolla en un tambor. La eliminación final del ligamento se lleva a cabo quemando, el cable está listo. Propiedades de tales fibras: temperaturas críticas 90-82 K, a 100 K r= 12 mOhm · cm, (aproximadamente como grafito), densidad de corriente crítica 4000 A / m².

Detengámonos en el último dígito. Este valor es extremadamente bajo para su uso en el sector energético. En comparación con la densidad de corriente económica (~1 A / mm²), se observa que en cerámica la densidad de corriente es 250 veces menor. Los científicos investigaron este problema y llegaron a la conclusión de que los contactos que no son superconductores son los culpables. De hecho, los cristales individuales han obtenido densidades de corriente que alcanzan la densidad de corriente económica. Y en los últimos dos o tres años, se han obtenido alambres de cerámica cuya densidad de corriente excede la densidad de corriente económica.

En 1999, se puso en servicio un cable superconductor que conectaba dos estaciones de metro en Japón. El cable está hecho con la tecnología de "sandwich", es decir La cerámica frágil se encuentra entre dos capas de cobre elástico y dúctil. El aislamiento y, al mismo tiempo, el refrigerante es nitrógeno líquido.

¿Cuál crees que es uno de los principales problemas con este cable? Puede adivinar que estos temas se discutieron previamente en relación con el aislamiento. Resulta que la pérdida dieléctrica en un dieléctrico tan maravilloso como el nitrógeno líquido lo calienta, lo que requiere un cuidado constante para un enfriamiento adicional.

Pero yono te rindas, y según las agencias de noticias en Japón, TEPCO tiene la intención de crear las primeras redes superconductoras para entregar electricidad a los edificios residenciales. En la primera etapa, se colocarán aproximadamente 300 kilómetros de tales cables en Yokohama, que cubrirán aproximadamente medio millón de edificios.