Num futuro próximo, todos os cabos de energia serão feitos de materiais supercondutores

O princípio da supercondutividade. Efeito de campo magnético

O fluxo de corrente nos condutores está sempre associado a perdas de energia, ou seja, com a transição de energia elétrica para térmica. Essa transição é irreversível, a transição reversa está associada apenas à conclusão do trabalho, pois a termodinâmica fala disso. Existe, no entanto, a possibilidade de converter energia térmica em energia elétrica e usar o chamado efeito termoelétrico, quando dois contatos de dois condutores são usados, um dos quais é aquecido e o outro é resfriado.

De fato, e esse fato é surpreendente, existem vários condutores nos quais, sob certas condições, não há perda de energia durante o fluxo de corrente! Na física clássica, esse efeito é inexplicável.

De acordo com a teoria eletrônica clássica, o movimento de um portador de carga ocorre em um campo elétrico acelerado uniformemente até colidir com um defeito estrutural ou com uma vibração da rede. Após uma colisão, se for inelástico, como uma colisão de duas bolas de plasticina, um elétron perde energia, transferindo-o para uma treliça de átomos de metal. Nesse caso, em princípio, não pode haver supercondutividade.

Acontece que a supercondutividade aparece apenas quando os efeitos quânticos são levados em consideração. É difícil imaginar isso. Alguma idéia fraca do mecanismo de supercondutividade pode ser obtida das seguintes considerações.

Acontece que, dado que o elétron pode polarizar a rede mais próxima, isto é, puxe-o levemente em sua direção devido à ação da força de Coulomb, então esse átomo de treliça deslocará levemente o próximo elétron. Uma ligação de um par de elétrons é formada, por assim dizer.

Quando o elétron se move, o segundo componente do par, por assim dizer, percebe a energia que o elétron transfere para o átomo da rede. Acontece que, se levarmos em conta a energia de um par de elétrons, ela não muda durante uma colisão, ou seja, perda de energia eletrônica não ocorre! Esses pares de elétrons são chamados pares de Cooper.

Em geral, é difícil entender para uma pessoa com idéias físicas estabelecidas. É mais fácil para você entender, pelo menos você pode dar como certo.

Supercondutividadetambém superfluidezforam encontrados em experimentos em temperaturas ultra-baixas, perto de temperaturas zero absolutas. Ao se aproximar do zero absoluto, as vibrações da rede congelam. A resistência ao fluxo de corrente diminui mesmo de acordo com a teoria clássica, mas a zero em uma certa temperatura crítica T_com, diminui apenas de acordo com as leis quânticas.

A supercondutividade foi descoberta por dois fenômenos: primeiro, no fato do desaparecimento da resistência elétrica e, segundo, no diamagnetismo. O primeiro fenômeno é claro - se você passar uma certa corrente Eu através do condutor, depois pela queda de tensão U no condutor você pode determinar a resistência R = U / I. O desaparecimento da tensão significa o desaparecimento da resistência enquanto tal.

O segundo fenômeno requer uma consideração mais detalhada. Logicamente, a ausência de resistência é idêntica à natureza diamagnética absoluta do material. De fato, imagine um pouco de experiência. Introduziremos material supercondutor na região do campo magnético. De acordo com a lei de Joule-Lenz, uma corrente deve ocorrer no condutor que compensa completamente a mudança no fluxo magnético, ou seja, o fluxo magnético através do supercondutor era zero e permanece zero. Em um condutor convencional, essa corrente decai, porque o condutor tem uma resistência. Somente então um campo magnético penetra no condutor. Em um supercondutor, ele não desbota.Isso significa que a corrente que flui leva a uma compensação completa do campo magnético dentro de si, ou seja, o campo não penetra nele. Do ponto de vista formal, um campo zero significa que a permeabilidade magnética do material é zero, m = 0 i.e. o corpo se manifesta como um diamagnet absoluto.

No entanto, esses fenômenos são característicos apenas para campos magnéticos fracos. Acontece que um forte campo magnético pode penetrar no material, além disso, destrói a própria supercondutividade! Introduzir o conceito do campo crítico B_comque destrói um supercondutor. Depende da temperatura: máxima a uma temperatura próxima de zero, desaparece após a transição para uma temperatura crítica T_com. Por que é importante conhecermos a tensão (ou indução) na qual a supercondutividade desaparece? O fato é que, quando uma corrente flui através de um supercondutor, um campo magnético é criado fisicamente ao redor do condutor, o qual deve atuar no condutor.

Por exemplo, para um condutor cilíndrico de raio r colocado em um meio com permeabilidade magnética m, a indução magnética na superfície de acordo com a lei da Bio-Savard-Laplace será

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Quanto maior a corrente, maior o campo. Assim, com alguma indução (ou tensão), a supercondutividade desaparece e, portanto, apenas uma corrente menor que a que cria indução crítica pode ser passada através do condutor.

Assim, para um material supercondutor, temos dois parâmetros: indução crítica de campo magnético B_com e temperatura crítica T_com.  

Para metais, as temperaturas críticas estão próximas das temperaturas zero absolutas. Esta é a área dos chamados Temperaturas de "hélio", comparáveis ​​ao ponto de ebulição do hélio (4,2 K). Em relação à indução crítica, podemos dizer que é relativamente pequena. Pode ser comparado com a indução em transformadores (1-1,5 T). Ou, por exemplo, com indução perto do fio. Por exemplo, calculamos a indução no ar perto de um fio com um raio de 1 cm e uma corrente de 100 A.

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

Substituindo na expressão (1), obtemos B = 2 mT, isto é, um valor aproximadamente correspondente a crítico. Isso significa que, se esse condutor for colocado em uma linha de energia, por exemplo 6 kV, a potência máxima que pode ser transmitida através de cada fase será P_m = U_fEu = 600 kW. O exemplo considerado mostra que o campo magnético intrínseco limita a capacidade de transferir energia através de um fio criogênico. Além disso, quanto mais próxima a temperatura da temperatura crítica, menor o valor crítico de indução.

Supercondutores de baixa temperatura

Acima, eu já me concentrei em alguns materiais supercondutores específicos. Em princípio, a propriedade da supercondutividade é característica de quase todos os materiais. Somente para a mais condutiva eletricamente - cobre, prata (paradoxo?), A supercondutividade não é detectada. A aplicação específica da supercondutividade no setor de energia é tentadora: ter linhas de energia sem perdas seria maravilhoso. Outra aplicação é um gerador com enrolamentos supercondutores. Uma amostra desse gerador foi desenvolvida em São Petersburgo e foram realizados testes bem-sucedidos. A terceira opção é um eletroímã, cuja indução pode ser controlada de maneira controlada, dependendo da força da corrente.

Outro exemplo é um armazenamento indutivo supercondutor. Imagine uma enorme bobina de condutor supercondutor. Se você injetar corrente de alguma forma e fechar os fios de entrada e saída, a corrente na bobina fluirá indefinidamente. De acordo com uma lei conhecida, a energia será encerrada em uma bobina

W = l× Eu²/2

onde L- indutância da bobina. Hipoteticamente, pode-se imaginar que, em algum momento, exista excesso de energia no sistema energético, a energia é retirada dele para esse dispositivo de armazenamento. Aqui é armazenado pelo tempo que for necessário até a necessidade de energia. Em seguida, é bombeado de forma gradual e controlável de volta ao sistema de energia.

Na física e na tecnologia da supercondutividade, também existem análogos de baixa corrente dos elementos de rádio da eletrônica convencional. Por exemplo, nos sistemas "supercondutor - uma fina camada de metal resistivo (ou dielétrico) - supercondutor" - são possíveis vários efeitos físicos novos que já são usados ​​na eletrônica. Essa é a quantização do fluxo magnético em um anel que contém esse elemento, a possibilidade de uma mudança abrupta na corrente, dependendo da tensão, quando uma radiação fraca é aplicada ao sistema, e as fontes de tensão padrão construídas neste princípio com uma precisão de 10^-10 B. Além disso, existem elementos de armazenamento, conversores analógico-digitais, etc. Existem até alguns projetos de computadores supercondutores.

A urgência do problema da microminiaturização usando semicondutores é que mesmo uma pequena liberação de energia em um volume muito pequeno pode levar a superaquecimento significativo e o problema de dissipação de calor é agudo.

Esse problema é especialmente relevante para supercomputadores. Acontece que os fluxos de calor locais dos microchips podem atingir quilowatts por centímetro quadrado. Não é possível remover o calor da maneira usual, soprando ar. Eles sugeriram remover o caso de microcircuitos e soprar diretamente o microcristal. Aqui surgiu o problema da baixa transferência de calor para o ar. O próximo passo foi encher tudo com líquido e remover o calor fervendo o líquido nesses elementos. O líquido deve estar muito limpo, não conter micropartículas, não lavar nenhum dos muitos elementos do computador. Até agora, esses problemas não foram totalmente resolvidos. A pesquisa é realizada com fluidos organofluorados.

Em computadores supercondutores, não existem tais problemas, porque sem perda. No entanto, o resfriamento do equipamento a temperaturas criogênicas exige muitos custos. Além disso, quanto mais próximo do zero absoluto - maior o custo. Além disso, a dependência é não linear, é ainda mais forte que a dependência inversamente proporcional.

A escala de temperatura na região criogênica é convencionalmente dividida em várias áreas de acordo com os pontos de ebulição dos gases liquefeitos: hélio (abaixo de 4,2 K), hidrogênio 20,5 K, nitrogênio 77 K, oxigênio 90 K, amônia (-33 °C) Se pudéssemos encontrar um material com um ponto de ebulição próximo ou acima do hidrogênio, o custo de manutenção do cabo em condições de trabalho seria dez vezes menor que o da temperatura do hélio. Após a transição para as temperaturas de nitrogênio, haveria um ganho de várias ordens de magnitude. Portanto, materiais supercondutores que operam em temperaturas de hélio, embora tenham sido descobertos há mais de 80 anos, ainda não encontraram aplicação no setor de energia.

Pode-se notar que novas tentativas para desenvolver um dispositivo criogênico operacional são feitas após cada um dos avanços na tecnologia. Os avanços tecnológicos levaram a ligas com as melhores características críticas de indução e temperatura.

Assim, no início dos anos 70, houve um boom no estudo do nióbio estanídeo Nb₃Sn. Ele tem B_com = 22 T e T_com= 18 K. No entanto, nesses supercondutores, ao contrário dos metais, o efeito da supercondutividade é mais complicado. Acontece que eles têm dois valores da tensão crítica B_c0 e B_s1.  

No espaço entre eles, o material não tem resistência à corrente direta, mas tem uma resistência finita à corrente alternada. E embora em_c0 suficientemente grande, mas os valores da segunda indução crítica B_s1 difere pouco dos valores correspondentes para metais. Os supercondutores "simples" são chamados de supercondutores do primeiro tipo e supercondutores "complexos" do segundo tipo.

Os novos compostos intermetálicos não têm a ductilidade dos metais; portanto, foi resolvida a questão de como criar elementos estendidos, como fios de materiais quebradiços.Várias opções foram desenvolvidas, incluindo a criação de compósitos, como um bolo de camada com metais plásticos, como cobre, a deposição de intermetais em um substrato de cobre, etc., o que foi útil no desenvolvimento de cerâmicas supercondutoras.

Cerâmica supercondutora

O próximo passo radical no estudo da supercondutividade foi uma tentativa de encontrar supercondutividade nos sistemas de óxidos. A vaga idéia dos desenvolvedores era que em sistemas contendo substâncias com supercondutividade de valência variável é possível e a temperaturas mais altas. Sistemas binários, ou seja, consistindo em dois óxidos diferentes. Não foi possível encontrar supercondutividade. E apenas em sistemas triplos Bao-la₂O₃-CuO em 1986, a supercondutividade foi detectada a uma temperatura de 30 a 35 K. Para este trabalho, Bednorts e Muller receberam o Prêmio Nobel no seguinte, (!!) 1987

Estudos intensivos de compostos relacionados durante o ano levaram à descoberta de supercondutividade no sistema Bao-y₂O₃-CuO a uma temperatura de 90 K. De fato, a supercondutividade é obtida em um sistema ainda mais complexo, cuja fórmula pode ser representada como Yba₂Cu₃O_7-d. Valor d para o material supercondutor de temperatura mais alta é 0,2. Isso significa não apenas uma certa porcentagem dos óxidos de partida, mas também um conteúdo reduzido de oxigênio.

De fato, se você calcular por valência, então ítrio - 3, bário - dois, cobre 1 ou 2. Em seguida, os metais têm uma valência total de 10 ou 13 e o oxigênio tem um pouco menos de 14. Portanto, nesta cerâmica, há um excesso de oxigênio em relação à estequiométrica correlação.

A cerâmica é produzida usando a tecnologia cerâmica convencional. Como fazer fios de uma substância frágil? Por um lado, uma suspensão do pó é feita em um solvente adequado, depois a solução é forçada através de uma matriz, seca e enrolada em um tambor. A remoção final do ligamento é realizada queimando, o fio está pronto. Propriedades de tais fibras: temperaturas críticas 90-82 K, a 100 K r= 12 mOhm · cm, (aproximadamente como grafite), densidade crítica de corrente 4000 A / m².

Vamos nos debruçar sobre o último dígito. Esse valor é extremamente baixo para uso no setor de energia. Comparando com a densidade econômica atual (~1 A / mm²), observa-se que em cerâmica a densidade de corrente é 250 vezes menor. Os cientistas investigaram essa questão e chegaram à conclusão de que os contatos que não são supercondutores são os responsáveis. De fato, os cristais únicos obtiveram densidades de corrente que atingem a densidade econômica atual. E nos últimos dois ou três anos, foram obtidos fios de cerâmica cuja densidade atual excede a densidade econômica atual.

Em 1999, um cabo supercondutor que conecta duas estações de metrô foi encomendado no Japão. O cabo é fabricado usando a tecnologia de "sanduíche", isto é, cerâmica frágil está localizada entre duas camadas de cobre elástico e dúctil. O isolamento e, ao mesmo tempo, o refrigerante são nitrogênio líquido.

O que você acha que é um dos principais problemas com este cabo? Você pode imaginar que esses problemas foram discutidos anteriormente em relação ao isolamento. Acontece que a perda dielétrica em um dielétrico maravilhoso como o nitrogênio líquido aquece, o que requer cuidados constantes para um resfriamento adicional.

Mas eunão desista e, de acordo com agências de notícias do Japão, a TEPCO pretende criar as primeiras redes supercondutoras para fornecer eletricidade a edifícios residenciais. No primeiro estágio, aproximadamente 300 quilômetros desses cabos serão instalados em Yokohama, que cobrirá cerca de meio milhão de edifícios!