בעתיד הקרוב, כל כבלי החשמל יהיו עשויים מחומרים מוליכים-על

עקרון המוליכות העל. אפקט שדה מגנטי

זרימת הזרם במוליכים קשורה תמיד להפסדי אנרגיה, כלומר עם מעבר אנרגיה מחשמל לתרמי. המעבר הזה בלתי הפיך, המעבר ההפוך קשור רק לסיום העבודה, כפי שתרמודינמיקה מדברת על כך. עם זאת, קיימת האפשרות להמיר אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית ולהשתמש במה שנקרא השפעה תרמו-אלקטרונית, כאשר משתמשים בשני אנשי קשר של שני מוליכים, האחד מחומם והשני מקורר.

למעשה, ועובדה זו מפתיעה, ישנם מספר מוליכים אשר בתנאים מסוימים אין אובדן אנרגיה במהלך זרימת הזרם! בפיזיקה הקלאסית השפעה זו אינה ניתנת להסבר.

על פי התיאוריה האלקטרונית הקלאסית, תנועתו של נשא מטען מתרחשת בשדה חשמלי המואץ באופן אחיד עד שהוא מתנגש עם פגם מבני או עם רטט סריג. לאחר התנגשות, אם היא לא-אלסטית, כמו התנגשות של שני כדורי פלסטלינה, אלקטרון מאבד אנרגיה, ומעביר אותו לסריג של אטומי מתכת. במקרה זה, באופן עקרוני, לא יכולה להיות מוליכות-על.

מסתבר כי מוליכות העל מופיעה רק כאשר נלקחים בחשבון השפעות קוונטיות. קשה לדמיין את זה. ניתן לקבל רעיון חלש כלשהו של מנגנון המוליכות העל מהשיקולים הבאים.

מסתבר, בהתחשב בכך שהאלקטרון יכול לקטב את הסריג הקרוב אליו, כלומר משוך אותו מעט כלפיך בגלל הפעולה של כוח קולומב, ואז אטום הסריג הזה יעביר מעט את האלקטרון הבא. נוצר קשר של זוג אלקטרונים.

כאשר האלקטרון נע, הרכיב השני של הצמד, כביכול, תופס את האנרגיה שהאלקטרון מעביר לאטום הסריג. מסתבר שאם אנו לוקחים בחשבון את האנרגיה של זוג אלקטרונים, אז זה לא משתנה במהלך התנגשות, כלומר אובדן אנרגיית אלקטרונים אינו מתרחש! זוגות אלקטרונים כאלה נקראים זוגות קופר.

באופן כללי, קשה להבין עבור אדם עם רעיונות פיזיים מבוססים. יותר קל לך להבין, לפחות אתה יכול לקחת את זה כמובן מאליו.

מוליכות עלגם כן שטחיותנמצאו בניסויים בטמפרטורות נמוכות במיוחד, כמעט בטמפרטורות אפס מוחלטות. כשמתקרבים לאפס מוחלט, תנודות הסריג קופאות. ההתנגדות לזרימת זרם פוחתת אפילו על פי התיאוריה הקלאסית, אך לאפס בטמפרטורה קריטית מסוימת T_עם, זה פוחת רק על פי חוקי הקוונטים.

מוליכות-על התגלתה על ידי שתי תופעות: ראשית, על היעלמות ההתנגדות החשמלית, ושנית - על דיאמגנטיות. התופעה הראשונה ברורה - אם אתה עובר זרם מסוים אני דרך המוליך, ואז על ידי ירידת המתח U על המוליך אתה יכול לקבוע את ההתנגדות R = U / I. היעלמות המתח פירושה היעלמות ההתנגדות ככזו.

התופעה השנייה דורשת התייחסות מפורטת יותר. מבחינה הגיונית, חוסר ההתנגדות זהה לאופי הדימגנטי המוחלט של החומר. אכן, דמיין חוויה קטנה. נכניס חומר מוליך-על לאזור השדה המגנטי. על פי חוק ג'ול-לנץ, חייב להתרחש זרם במוליך אשר מפצה לחלוטין את השינוי בשטף המגנטי, כלומר השטף המגנטי דרך מוליך העל היה אפס ונשאר אפס. במוליך קונבנציונאלי, זרם זה מתפורר, מכיוון למוליך יש התנגדות. רק אז חודר שדה מגנטי למוליך. במוליך-על זה לא דוהה.המשמעות היא שהזרם הזורם מוביל לפיצוי מוחלט של השדה המגנטי שבתוכו, כלומר השדה אינו חודר לתוכו. מבחינה פורמלית, שדה אפס פירושו שהחדירות המגנטית של החומר היא אפס, מ = 0 כלומר הגוף בא לידי ביטוי כיהלומנט מוחלט.

עם זאת, תופעות אלה אופייניות רק לשדות מגנטיים חלשים. מסתבר ששדה מגנטי חזק יכול לחדור לחומר, יתר על כן, הוא משמיד את מוליכות העל עצמה! הכירו את המושג שדה קריטי ב_עםמה שהורס מוליך-על. זה תלוי בטמפרטורה: מקסימום בטמפרטורה הקרובה לאפס, נעלם עם המעבר לטמפרטורה קריטית T_עם. מדוע חשוב לנו לדעת מה המתח (או האינדוקציה) בו נעלמת מוליכות העל? העובדה היא שכאשר זרם זורם במוליך-על, נוצר פיזית שדה מגנטי סביב המוליך, שאמור לפעול על המוליך.

לדוגמא, למוליך גלילי ברדיוס r המוצב במדיום עם חדירות מגנטית מ, אינדוקציה מגנטית על פני השטח בהתאם לחוק ביו-סארד-לאפלס תהיה

ב = מ₀× מ '×אני / 2עr (1)

ככל שהזרם גדול יותר, השדה גדול יותר. לפיכך, בעזרת אינדוקציה (או מתח כלשהו), מוליכות העל נעלמת, ולכן, רק זרם פחות מזה שיוצר אינדוקציה קריטית יכול להיות מועבר דרך המוליך.

לפיכך, עבור חומר מוליך-על, יש לנו שני פרמטרים: אינדוקציה של שדה מגנטי קריטי B_עם וטמפרטורה קריטית T_עם.  

עבור מתכות, הטמפרטורות הקריטיות קרובות לטמפרטורות אפס מוחלטות. זה האזור של מה שנקרא טמפרטורות "הליום", בהשוואה לנקודת הרתיחה של הליום (4.2 K). לגבי אינדוקציה קריטית, אנו יכולים לומר שהיא קטנה יחסית. ניתן להשוות את זה עם אינדוקציה בשנאים (1-1.5 ט '). או למשל עם אינדוקציה ליד החוט. לדוגמה, אנו מחשבים אינדוקציה באוויר ליד חוט ברדיוס של 1 ס"מ עם זרם של 100 A.

מ₀ = 4ע 10^-7 ג.נ.
מ = 1, I = 100 A,
r = 10^-2מ

החלפת הביטוי (1) נקבל B = 2 mT, כלומר ערך המקביל בערך לקריטי. המשמעות היא שאם מוליך כזה יוכנס לקו כוח, למשל 6 קילוואט, אז ההספק המרבי שיכול להעביר דרך כל שלב יהיה P_מ = U_ו· אני = 600 קילוואט. הדוגמה שנחשבה מראה כי השדה המגנטי המהותי מגביל את היכולת להעביר כוח דרך חוט קריוגני. יתר על כן, ככל שהטמפרטורה קרובה יותר לטמפרטורה הקריטית, ערך ההשראה הקריטי נמוך יותר.

מוליכי-על בטמפרטורה נמוכה

לעיל, כבר התמקדתי בכמה חומרים מוליכי-על ספציפיים. באופן עקרוני, המאפיין של מוליכות העל מאפיין כמעט את כל החומרים. רק עבור המוליכות החשמלית ביותר - נחושת, כסף (פרדוקס?) מוליכות העל לא מתגלה. היישום הספציפי של מוליכות על בתחום האנרגיה מפתה: להחזיק קווי חשמל חסרי אובדן זה יהיה נפלא. יישום נוסף הוא גנרטור עם פיתולי מוליכים-על. מדגם של גנרטור כזה פותח בסנט פטרסבורג, ובוצעו בדיקות מוצלחות. האפשרות השלישית היא אלקטרומגנט, אשר ניתן לשלוט על הגירוי שלו בצורה מבוקרת בהתאם לחוזק הנוכחי.

דוגמא נוספת היא אחסון אינדוקטיבי מוליך-על. דמיין סליל ענק של מנצח מוליך-על. אם תזריק לתוכו זרם כלשהו ותסגור את חוטי הכניסה והפלט, הזרם בסליל יזרום ללא הגבלת זמן. בהתאם לחוק ידוע, אנרגיה תוחסן בסליל

W = l× אני²/2

איפה להשראות סליל. באופן היפותטי, ניתן לדמיין שבשלב מסוים בזמן יש אנרגיה עודפת במערכת האנרגיה, אנרגיה נלקחת ממנה למכשיר אחסון שכזה. כאן הוא מאוחסן כל עוד נחוץ עד הצורך באנרגיה. ואז הוא מוזרק באופן הדרגתי, באופן מבוקר, למערכת הכוח.

בפיזיקה ובטכנולוגיה של מוליכות העל יש גם אנלוגים בעלי זרם נמוך של אלמנטים הרדיו של האלקטרוניקה המקובלת. לדוגמה, במערכות "מוליך-על - שכבה דקה של מתכת מתנגדת (או דיאלקטרית) - מוליך-על" אפשריים מספר אפקטים פיזיים חדשים המשמשים כבר כיום בתחום האלקטרוניקה. זהו הכימות של השטף המגנטי בטבעת המכילה אלמנט כזה, האפשרות לשינוי פתאומי בזרם תלוי במתח כאשר מופעלת קרינה חלשה על המערכת, ומקורות מתח סטנדרטיים הבנויים על עיקרון זה ברמת דיוק של 10^-10 ב. בנוסף ישנם אלמנטים לאחסון, ממירים אנלוגיים לדיגיטליים וכו '. ישנם אפילו כמה עיצובים ממוליכי מחשב ממוליכים.

הדחיפות של בעיית המיקרו-פירוק באמצעות מוליכים למחצה היא שאפילו שחרור אנרגיה קטן בנפח קטן מאוד יכול להוביל לחימום יתר משמעותי ובעיית פיזור החום היא חריפה.

בעיה זו רלוונטית במיוחד למחשבי-על. מסתבר ששטפי חום מקומיים יכולים להגיע לקילוואט לסנטימטר רבוע. לא ניתן להסיר חום בדרך הרגילה, על ידי נושבת אוויר. הם הציעו להסיר את המקרה של מעגלי מיקרו ולפוצץ ישירות את המיקרו קריסטל. כאן עלתה הבעיה של העברת חום לקויה לאוויר. השלב הבא היה למלא הכל בנוזל ולהסיר חום על ידי הרתחת הנוזל על האלמנטים הללו. הנוזל צריך להיות נקי מאוד, לא להכיל מיקרו-חלקיקים, לא לשטוף אף אחד מהרכיבים הרבים במחשב. עד כה סוגיות אלה לא נפתרו במלואן. המחקר נערך עם נוזלי אורגנופלואור.

במחשבים מוליכים-על, אין בעיות כאלה, מכיוון ללא הפסד. עם זאת, קירור הציוד לטמפרטורות קריוגניות דורש עלויות רבות. יתר על כן, ככל שקרוב יותר לאפס מוחלט - כך עולה העלות. יתר על כן, התלות אינה ליניארית, היא אפילו חזקה יותר מהתלות הפרופורציונית ההפוכה.

סולם הטמפרטורות באזור הקריוגני מחולק כמקובל למספר אזורים בהתאם לנקודות הרתיחה של גזים נוזלים: הליום (מתחת ל -4.2 K), מימן 20.5 K, חנקן 77 K, חמצן 90 K, אמוניה (-33 °ג) אם היינו יכולים למצוא חומר עם נקודת רתיחה בסמוך למימן או מעל, עלות שמירת הכבל במצב עבודה הייתה נמוכה פי עשרה מאשר לטמפרטורות הליום. לאחר המעבר לטמפרטורות חנקן, תהיה עלייה במספר סדרי גודל. לפיכך, חומרים מוליכי-על הפועלים בטמפרטורות הליום, למרות שהתגלו לפני יותר מ -80 שנה, עדיין לא מצאו יישום בתחום האנרגיה.

ניתן לציין כי ניסיונות הבאים לפתח מכשיר קריוגני הפעלה נעשים לאחר כל אחת מהפריצות דרך בטכנולוגיה. ההתקדמות בטכנולוגיה הובילה לסגסוגות בעלות מאפייני ההשראה והטמפרטורה הקריטיים הטובים ביותר.

אז בתחילת שנות ה -70 חלה פריחה במחקר של ניוביום סטניד נ.ב.₃סנ. יש לו ב_עם = 22 T, ו- T_עם= 18 K. עם זאת, במוליכי-על אלה, בניגוד למתכות, ההשפעה של מוליכות-על מורכבת יותר. מסתבר שיש להם שני ערכים של המתח הקריטי B_c0 וב_s1.  

במרווח ביניהם, לחומר אין התנגדות לזרם ישר, אלא יש לו התנגדות סופית לזרם מתחלף. ולמרות שב-_c0 גדול מספיק, אבל הערכים של הגיוס הקריטי השני B_s1 שונה מעט מהערכים המתאימים למתכות. מוליכי-על "פשוטים" נקראים מוליכי-על מהסוג הראשון, ומוליכי-על "מורכבים" מהסוג השני.

לתרכובות אינטר-מטאליות חדשות אין משיכות של מתכות, ולכן נשאלה השאלה בו זמנית כיצד ליצור אלמנטים מורחבים כמו חוטים מחומרים שבירים.פותחו מספר אפשרויות, כולל יצירת מרוכבים כמו עוגת שכבות עם מתכות פלסטיות, כמו נחושת, הצבת אינטרמטלים על מצע נחושת וכו ', אשר שימשו בפיתוח קרמיקה מוליכת-על.

קרמיקה מוליכת-על

השלב הרדיקלי הבא במחקר מוליכות העל היה ניסיון למצוא מוליכות על במערכות תחמוצות. הרעיון המעורפל של המפתחים היה שבמערכות המכילות חומרים בעלי תדר משתנה אפשרי מוליכות על, ובטמפרטורות גבוהות יותר. מערכות בינאריות, כלומר המורכב משני תחמוצות שונות. לא ניתן היה למצוא מוליכות-על. ורק במערכות משולשות באו-לה₂O₃-קואו בשנת 1986 התגלה מוליכות על בטמפרטורה של 30-35 ק '. על עבודה זו קיבלו Bednorts ומולר את פרס נובל בהמשך, (!!) 1987

מחקרים אינטנסיביים על תרכובות קשורות במהלך השנה הובילו לגילוי המוליכות העל במערכת באו-י₂O₃-קואו בטמפרטורה של 90 K. למעשה, מוליכות על מתקבלת במערכת מורכבת עוד יותר, שניתן לייצג את הנוסחה שלה כ Yba₂Cu₃O_7-ד. ערך ד לחומר מוליך העל בטמפרטורה הגבוהה ביותר הוא 0.2. המשמעות היא לא רק אחוז מסוים של תחמוצות ההתחלה, אלא גם אחוז חמצן מופחת.

אכן, אם מחשבים לפי וליאנס, אז יטריום - 3, בריום - שניים, נחושת 1 או 2. אז למתכות יש Valence כולל של 10 או 13, ולחמצן יש מעט פחות מ 14. לכן בקרמיקה זו יש עודף חמצן ביחס לסטוכיומטרי מתאם.

קרמיקה מיוצרת בטכנולוגיית קרמיקה קונבנציונאלית. כיצד ליצור חוטים מחומר שביר? דרך אחת, השעיה של האבקה נעשית בממס מתאים, ואז הפתרון נאלץ דרך מת, מיובש ונפתל על תוף. ההסרה הסופית של הרצועה מתבצעת על ידי צריבה, החוט מוכן. מאפייני סיבים כאלה: טמפרטורות קריטיות 90-82 K, ב 100 K r= 12 mOhm · cm, (בערך כמו גרפיט), צפיפות זרם קריטית 4000 A / m².

בואו להתעכב על הספרה האחרונה. ערך זה נמוך במיוחד לשימוש בתחום האנרגיה. בהשוואה לצפיפות הנוכחית הכלכלית (~1 A / mm²) רואים שבקרמיקה צפיפות הזרם נמוכה פי 250. מדענים חקרו סוגיה זו והגיעו למסקנה כי אשמים במגעים שאינם מוליכים על. אכן, גבישים בודדים השיגו צפיפות זרם המגיעה לצפיפות הנוכחית הכלכלית. ובשנתיים-שלוש האחרונות הושגו חוטי קרמיקה שצפיפות הזרם שלהם עולה על צפיפות הזרם הכלכלית.

בשנת 1999 הוזמן ביפן כבל מוליך העל המחבר בין שתי תחנות מטרו. הכבל מיוצר בטכנולוגיה של "כריך", כלומר קרמיקה שבירה בו נמצאת בין שתי שכבות של נחושת אלסטית ושמיכה. הבידוד ובו זמנית הקירור הוא חנקן נוזלי.

מה לדעתך אחת הבעיות העיקריות בכבל זה? אתה יכול לנחש שנושאים אלה נדונו בעבר ביחס לבידוד. מסתבר שההפסד הדיאלקטרי בדיאלקטריק נפלא כמו חנקן נוזלי מחמם אותו, הדורש טיפול מתמיד לקירור נוסף.

אבל אניאל תוותרו, ולפי סוכנויות הידיעות ביפן, TEPCO מתכוונת ליצור רשתות מוליכות-על ראשונות המספקות חשמל לבנייני מגורים. בשלב הראשון יונחו יוקוהמה כ -300 קילומטרים של כבלים כאלה שיכסו כחצי מיליון בניינים!