Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Понятие о сверхпроводимости

2. Сверхпроводники I рода

3 Сверхпроводники II рода

4. Сверхпроводник в магнитном поле

5. Перспективы развития сверхпроводниковых технологий

Заключение

Библиографические источники

Введение

Человечество стоит на пороге очередного технологического прорыва, способного перевернуть привычный всем нам мир. Масштабы новой индустриальной революции могут сравнится с тем, как изменился образ жизни людей после обнаружения замечательных свойств полупроводников.

Уже исполнилось 100 лет со времени открытия явления сверхпроводимости и 50 лет с тех пор, когда зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии (НТСП-технологии). Их использование позволило создать такие уникальные исследовательские установки, как ускорители заряженных частиц на сверхвысокие энергии, детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц, установки для термоядерных исследований с магнитным удержанием горячей плазмы, лабораторные сверхпроводящие магнитные системы, ответственные устройства специальной техники, измерительные приборы рекордной чувствительности и точности. Последнее относится к тем сферам деятельности, в которых применение сверхпроводников дает либо принципиально новое качество производимой продукции, как в случае магниторезонансных томографов или высокоградиентных магнитных сепараторов, либо совершенно новое оборудование, как сверхпроводниковый индуктивный накопитель электроэнергии с неограниченным сроком ее хранения.

Кроме этого потенциальная выгода от широкого использования явления сверхпроводимости очевидна: радикальное снижение потерь электроэнергии при ее выработке и передаче, уменьшение в разы размеров генерирующего оборудования и двигателей. Ученые всей земли долго бились над проблемой практического применения сверхпроводимости, и, похоже, что этот вопрос успешно разрешился. Человечество "оседлало" сверхпроводимость. Это явление все чаще используется в современной электронике, энергетике, промышленности и медицине.

1. Понятие о сверхпроводимости

Сверхпроводимость - способность вещества пропускать электрический ток, не оказывая ему ни малейшего сопротивления. Это явление тесно связано со сверхнизкими температурами, близкими к абсолютному нулю.

Впервые теория о сверхпроводниках была представлена тремя американскими учеными и получила названии теории Бардина, Купера, Шрифера.

Согласно этой теории электроны в сверхпроводнике при охлаждении его до определенной критической температуры объединяются в пары, взаимодействуя через кристаллическую решетку. Они тесно связаны между собой так, что разобщить электроны очень трудно. Такие сильные связи позволяют им беспрепятственно двигаться через кристаллическую решетку, помогая друг другу. Электроны несут одноименный заряд и поэтому не могут притягиваться друг к другу непосредственно. Однако при движении первый электрон (сплошная траектория) притягивает положительно заряженные ионы в узлах кристаллической решетки, смещая их и образуя локальный избыток положительного заряда (и вызывая упругие колебания решетки - фононы). Этот заряд притягивает другой электрон (пунктирная линия), связывая две частицы в виртуальную пару.

Пространственное перекрытие огромного числа пар приводит к строгой взаимной согласованности, пары не могут двигаться независимо друг от друга, как электроны в проводнике. Возникновение тока не нарушает корреляцию пар: они движутся в одном направлении, с одной скоростью. Но при этом поведение пар отличается от поведения обычных электронов. В обычном состоянии электроны оседают на положительно заряженных атомах, теряют энергию при столкновениях, что и обуславливает наличие сопротивления. Куперовские же пары, пока они не разорваны, рассеиваться на решетке не могут. Например, "отскакивание" одного из членов пары в сторону при столкновении с атомом компенсируется действиями его "партнера", то есть суммарный импульс остается неизменным. Не рассеиваясь на решетке, спаренные электроны могут двигаться сквозь решетку кристалла без всякого сопротивления.

В зависимости от поведения сверхпроводников в магнитном поле различают сверхпроводники I и II рода.

2. Сверхпроводники I рода

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля, при которой наблюдается этот переход. Значения критической температуры Тк и критической напряженности магнитного поля Нк у них малы (максимальное значение Тк и Нк в этой группе материалов имеет свинец: Тк=7,2 К, Нк=65кА/м, а минимальное - вольфрам, у которого величина Тк = 0,01 К, а Нк =0,1 кА/м), что затрудняет их практическое применение. Для сверхпроводников I рода характерным является проявление эффекта Мейснера. Сверхпроводникам I рода являются все чистые металлы, кроме переходных. Низкие значения Нк у сверхпроводников I рода существенно ограничивают плотность тока, что препятствует их практическому использованию. Большинство металлов - сверхпроводники I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. Поэтому большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др.

3. Сверхпроводники II рода

Сверхпроводники II рода переходят в сверхпроводящее состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Тк и Нк у них больше, чем у сверхпроводников I рода. Соответственно для сверхпроводников II рода различают нижнее критическое поле Нк 1, верхнее критическое значение поля Нк 2.

При достижении магнитным полем величины Нк 1начинается проникновение магнитного поля в сверхпроводник, и электроны, скорость которых перпендикулярна Н, под влиянием силы Лоренца начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити. Ствол нити остается нормальным, несверхпроводящим металлом, вокруг которого движутся электроны, обеспечивая сверхпроводимость. В результате материал обладает как сверхпроводящей составляющей, так и нормальной проводимостью. Т. е. в таких сверхпроводниках токи не вытесняются на поверхность образца, а образуют цилиндрические каналы, пронизывающие весь объем.

В центре канала куперовских пар нет, и сверхпроводимость отсутствует. сверхпроводимость сверхпроводник магнитное технология

При возрастании магнитного поля и достижении более высоких значений Нк 2 нити, расширяясь, сближаются и сверхпроводящее состояние разрушается. При достижении критического значения поля Нк 2 магнитное поле полностью проникает в объём сверхпроводника. Значения Нк 2 для таких сверхпроводников, как Nb3Sn и PbMo6S составляют величину порядка 105Э. Достаточно сильные магнитные поля, которые способны выдерживать эти сверхпроводники, позволяют использовать их в различного типа устройствах для создания сильного магнитного поля - системах магнитной подвески транспортных средств, устройствах удержания плазмы в термоядерных реакторах и т. д. Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода.

Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тк = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.

4. Сверхпроводник в магнитном поле

Достаточно сильное магнитное поле, создаваемое как током, протекающим в сверхпроводнике, так и посторонними источниками, при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряженностью Hc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. Критическая температура Tс и критическая напряженность магнитного поля Hс - взаимосвязанные величины. Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то каждой температуре соответствует определенное критическое магнитное поле Hс. При H > Hс и температуре выше Tс проводник переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние.

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

- повышение температуры;

- действие достаточно сильного магнитного поля;

- достаточно большая плотность тока в образце.

При определенной напряженности Hk магнитного поля, создаваемого как током, протекающим в сверхпроводнике, так и посторонними источниками, сверхпроводящее состояние проводника исчезает. Критическая температура Tk и критическая напряженность магнитного поля Hk - взаимосвязанные величины. Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то каждой температуре Tk < To соответствует определенное критическое магнитное поле Hk. При H > Hk и температуре выше Tk проводник переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние. Материал в сверхпроводящем состоянии подобен идеальному диамагнетику - магнитное поле выталкивается из него (эффект Мейснера). При H > Hk магнитное поле проникает в глубь проводника, что приводит к исчезновению сверхпроводимости.

5. Перспективы развития сверхпроводниковых технологий

Перспективы практического применения сверхпроводимости были очевидны давно, но первые сверхпроводники требовали низких температур и могли проводить лишь небольшие токи; при превышении критической плотности тока сверхпроводимость разрушалась. Реальные применения сверхпроводимости стали возможными только после существенного прогресса в науке и технике - к 1970-м годам. Спектр применений сверхпроводников удобно разделить на относительно маломощную электронику (быстродействующие вычислительные устройства, детекторы магнитного поля и излучений, оборудование для связи в микроволновом диапазоне) и силовые применения (кабели, токоограничители, магниты, моторы, генераторы, накопители энергии). Эти два направления очень разнятся между собой и практически не пересекаются. Материальной базой для электроники являются структуры на основе тонких эпитаксиальных плёнок размером не более 100 см², а базой силовых применений - гибкие провода длиной более километра, способные передавать большой ток.

В силовых применениях сверхпроводники позволяют снизить энергопотери и сократить массогабаритные показатели оборудования. Отсутствие электрического сопротивления позволяет использовать сверхпроводники для эффективной передачи электроэнергии. Ограничивающим фактором является необходимость поддержания проводника при низкой температуре, что само по себе требует энергозатрат, поэтому наиболее актуальны применения в устройствах большой мощности: электрические линии для передачи мощности порядка десятка мегаватт и более, промышленные производства с высоким концентрированным энергопотреблением. В этом случае затраты на криообеспечение (поддержание низкой рабочей температуры) пренебрежимо малы. Высокая плотность тока в сверхпроводниках позволяет уменьшать размеры оборудования, а также создавать магнитные поля высокой интенсивности, недостижимые обычной аппаратурой. Это свойство активно эксплуатируется для создания мощных магнитов (ускорители, томографы), генераторов, двигателей и др.

Так, замена медной обмотки в трансформаторах на сверхпроводящие провода позволит уменьшить потери электроэнергии на 80-90 % и снизить общую массу примерно в 2-3 раза. Исключение трансформаторного масла делает сверхпроводниковый трансформатор пожаробезопасным и экологически безупречным. Бульшая устойчивость к работе при перегрузках позволит заменить традиционный трансформатор менее мощным сверхпроводниковым, а уменьшенное старение изоляции из-за низких рабочих температур и отсутствия температурных градиентов позволит увеличить время эксплуатации.

Непрерывное увеличение мощности энергосистем, вызванное ростом потребления электрической энергии, приводит, с одной стороны, к повышению требований к надёжности и качеству электроснабжения потребителей, а с другой - к существенному увеличению токов короткого замыкания. В ряде случаев это вызывает необходимость замены существующего электротехнического коммутационного оборудования (выключателей) более мощным, способным противостоять термическому и динамическому действию токов короткого замыкания, или же применения мер по их ограничению. Второй путь является более дешевым, поэтому, как правило, используется именно он.

В настоящее время основным средством ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях напряжением 6-10 кВ (реже в сетях напряжением 35 кВ и выше) является включение в линии электропередачи, идущие к потребителям электрической энергии, специальных токоограничивающих реакторов - дополнительных индуктивных сопротивлений. Их использование позволяет эффективно ограничивать токи короткого замыкания, однако вызывает дополнительные потери энергии в активных сопротивлениях обмоток реакторов при нормальном режиме работы сети, вследствие чего снижается уровень напряжения на шинах потребителей.

Появление высокотемпературных сверхпроводников сделало возможным создание принципиально нового, самоуправляемого токоограничивающего устройства - ВТСП токоограничителя. В нормальном режиме импеданс токоограничителя имеет близкую к нулю величину, практически не оказывая влияния на уровень напряжения в защищаемой им сети. Однако при коротком замыкании импеданс токоограничителя резко возрастает, что позволяет ограничить ток до существенно меньшего значения, чем упомянутые выше реакторы. ВТСП токоограничитель является крайне быстродействующим устройством, позволяющим не только ограничить установившееся значение тока короткого замыкания, но и практически полностью срезать амплитуду ударного тока короткого замыкания, на что принципиально не способен ни один из самых совершенных быстродействующих выключателей.

Возможны также оригинальные применения ВТСП, например, в индукционных нагревателях, которые широко используются в производстве алюминиевого профиля. Преимущество данного подхода заключается в очень высоком КПД, достигающем 90 %, тогда как КПД обычных индукционных нагревателей составляет для старых моделей 35-45 % и 55-60 % для новейших образцов. Экономия электроэнергии составляет свыше 40 %. На сегодняшний день сверхпроводящие индукционные печи уже являются коммерческим продуктом (Zenergy Power).

Будущее сверхпроводимости. Через 10-20 лет сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение СП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений.

В электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии.

Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько сантиметров можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, и при этом с очень малыми потерями. Более того, в связи с неизбежным изменением географии основных центров источников энергии (например, нефть/газ в районе шельфа и континентальной части Северного Ледовитого океана и Антарктиды, солнечная энергия - пустыни Африки и Австралии и т.д.), сопровождаемым отдалением от основных центров потребления, проблема повышения передаваемой мощности на большие расстояния при минимизации потерь становится всё более актуальной.

Характерный масштаб задач транспортировки энергии вырастет по мощности с единиц до нескольких десятков ГВА при одновременном увеличении транспортного плеча до 10 000 км. Это приведет к появлению криотрубопроводов, в которых одновременно будет прокачиваться сжиженный природный газ, а по СП-кабелям передаваться электрическая энергия.

Еще одно перспективное применение сверхпроводников - в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях. Обмотки из сверхпроводящих материалов могут создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они будут значительно более мощными, чем обычные машины. Сверхпроводниковые генераторы не теряют своей высокой эффективности при малой скорости вращения, что позволит исключить использование в ветроустановках дорогих и ненадёжных мультипликаторов (повышающих редукторов).

Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно привлекательны для применения на флоте - как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов и обладают высокой тягой даже на низких оборотах. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает КПД силовой установки. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. С развитием СП-технологий сверхпроводящие двигатели найдут широкое применение также в самолетах и на автомобильном транспорте. Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большую скорость.

Единственная в мире действующая пассажирская магнитно-левитационная (но не сверхпроводящая) железнодорожная линия протяженностью 30,5 км расположена в Китае. Строительство сверхпроводящей железной дороги запланировано в Японии. Предполагается, что линия длиной 290 км соединит Токио и район в центральной Японии. Используемая технология подразумевает использование электродинамической подвески на сверхпроводящих магнитах, установленных как на поезде, так и на трассе. Тестовые испытания были успешно проведены еще в 2003 г., в их ходе был поставлен мировой рекорд скорости передвижения поезда (581 км/час). Ожидается, что дорога будет введена в эксплуатацию к 2020 г.

В перспективе возможны проекты совместной прокладки криотрубопроводов и железных дорог. Возможность ускорения макроскопических объектов электромагнитным полем найдет свое применение также на аэродромах и космодромах, где СП-магниты будут обеспечивать взлет/посадку воздушным судам и космическим кораблям. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии. Данные технологии, как известно, способны кардинальным образом изменить облик мировой энергетической системы.

Заключение

В недалеком будущем сверхпроводимость станет одной из базовых составляющих технического прогресса во многих секторах экономики и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни.

Согласно данным известного в Европе консорциума Conectus, специально созданного в целях изучения и пропаганды возможностей коммерческого использования явления сверхпроводимости, международный рынок оборудования, использующий это явление, к 2010 году составил 5 млрд. $ и вырастит до 38 млрд. $ к 2020 году.

Таким образом, выдвинутая мной гипотеза подтвердилась: будущее сверхпроводниковых технологий - наше ближайшее будущее.

Библиографические источники

1. http://www.superox.ru/application_superconductivity.htm.

2. http://elementy.ru/lib/430825/430831.

3. Вестник Российской академии наук том 71, №4, с. 303-319, 2001.

4. Наука и техника. Сверхпроводимость: успехи и неудачи. (№1 [199]15.01.2010) Авторы: Владимир Акопьян, Иван Паринов, Stephen Chang.

Размещено на Allbest.ru