Високотемпературна суперспроводливост(HTSC, Високотемпературни суперпроводнициили High-T в) - суперспроводливост при релативно високи температури. Историски гледано, ограничувачката вредност е температура од 30 K, но голем број автори од HTSC значат суперпроводници со критична температура над точката на вриење на азот (77 K или -196 °C).
Како „обична“ суперспроводливост, феноменот се состои во целосно губење на електричниот отпор од материјалот кога се лади под критичната температура карактеристична за даден материјал. А нивното посебно значење лежи во можноста за практична употреба со поевтини и попогодни ладилници (течен водород, азот) од течниот хелиум под притисок потребен за класичните суперпроводници.
Почнувајќи од 2017 година, феноменот е најшироко познат и изучуван во семејство на суперспроводлива керамика (мешани оксиди) со заедничка структурна карактеристика - слоеви на компоненти одделени со слоеви бакар-кислород. Тие се нарекуваат и купатни суперпроводници. Преодната температура на суперспроводливоста што може да се постигне кај некои соединенија од ова семејство е највисока меѓу суперпроводниците стабилни на нормален притисок и температура.
Приказна
Први кои го открија феноменот на високотемпературна суперспроводливост во соединението La 2-x Ba x CuO 4 со критична температура од 35 K беа Карл Мулер и Георг Беднорц, вработени во научната поделба на корпорацијата IBM, во 1986 година. За ова откритие тие веднаш беа наградени со Нобеловата награда во 1987 година. Интересно е што мешаната керамика од овој тип (АМО3 перовскити) во исто време активно се проучувала во СССР.
Во 1987 година, беше откриен суперпроводникот YBCO (итриум бариум бакар оксид), со критична температура од 92 К. Тој беше првиот суперпроводник чија критична температура е повисока од точката на вриење на течниот азот (77 К).
Во моментов (2015), H 2 S (водород сулфид) на притисок од 150 GPa има рекордна критична температура T c = 203 K.
Во 2018 година, рекордот за суперспроводливост на висока температура беше соборен двапати:
Друго
Ограничената практична примена на керамичките HTSC се должи на фактот дека магнетното поле создадено од струјата што тече низ HTSC, кога е големо, доведува до уништување на сопствената слоевита структура на проводникот и, следствено, неповратно губење на суперспроводливите својства. Покрај тоа, за суперспроводливи производи (и HTSC и класични), таквото прекршување во една точка е доволно, бидејќи добиениот дефект веднаш станува област со висока отпорност, каде што се ослободува топлина, што предизвикува секвенцијално загревање на соседните области, т.е. излез како лавина од суперспроводливата состојба на целиот проводник.
Нормалните (и суперспроводливите) состојби покажуваат многу заеднички карактеристики помеѓу различните состави на купат; многу од овие својства не можат да се објаснат во рамките на BCS теоријата. Во моментов не постои јасно дефинирана теорија за суперспроводливост кај оксидните HTSCs; сепак, проблемот доведе до многу интересни експериментални и теоретски резултати.
Главната цел на истражувањето во оваа област е HTSC - материјали кои работат барем на температури кои се широко распространети на Земјата (околу -30°C), а максимум на собна температура. Нивното создавање би довело до револуција во енергијата и електрониката, каде што загубите на отпорот на проводниците се значителен проблем.
Интерметали
Белешки
Врски
Литература
- Максимов Е.Г.Проблемот со суперспроводливоста на висока температура. Тековна состојба // Успехи физических наук, 2000 година, с. 170, бр. 1033-1061 година.
- Садовски М.В.Псевдогаз во високотемпературни суперпроводници // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2001, т. 171, бр. 539-564.
- Аксенов В.Л.Неутронографија на суперпроводници со висока температура // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, с. 172, бр. 6, стр. 701-705.
- Пономарев Ја.Тунел и Андреев спектроскопија на високотемпературни суперпроводници // Успехи Физических Наук, 2002 година, с. 172, бр. 705-711.
- Копаев Ју.Модели на високотемпературна суперспроводливост // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, с. 172, бр. 712-715.
- Черноплеков Н.А.Состојба на работа на применета суперспроводливост со висока струја // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, т. 172, бр. 6, стр. 716-722.
- Белјавски В.И., Копаев Ју.Генерализиран поглед на природата на високотемпературната суперспроводливост (врз основа на материјали од M2S-HTSC-VII) // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2004, т. 174, бр. 457-465.
- Мицен К.В., Иваненко О.М.
Витерска смена
Фреквенцијата на нуклеарна магнетна резонанца (НМР) за истото јадро зависи од тоа дали јадрото е метал или диелектрик. Поместувањето на фреквенцијата NMR во метал во споредба со диелектрикот, наречено поместување или Knight shift, се објаснува со големата веројатност спроводливите електрони да бидат на локацијата на јадрата. Овие електрони се магнетизираат од надворешното поле, а вкупното магнетно поле во јадрото се покажува дека е нешто поголемо од надворешното поле. Бидејќи магнетната подложност на нормалните метали е практично независна од температурата, витезното поместување кај нив е исто така константно.
Кај суперпроводниците, поместувањето на Најт се забележува во емулзии или купишта тенки филмови (големината на честичките на емулзијата или дебелината на филмовите мора да биде многу помала од d за магнетното поле во нив да биде доволно униформно). Големината на поместувањето под Tk се намалува, но и при T=0 ја задржува својата крајна вредност, достигнувајќи 75% од нормалната. На прв поглед, ова е во спротивност со теоријата за суперспроводливост. Навистина, во основната состојба со најниска енергија, електроните се комбинираат во парови Купер, чиј вкупен спин на електрони е нула. Затоа, можно е да се магнетизира електронскиот систем само со кршење на паровите, но за тоа е потребна конечна енергија. Следи дека магнетниот момент не може линеарно да зависи од надворешното поле, т.е. магнетната подложност е нула.
Најубедливото објаснување за конечната магнитуда на витезното поместување кај суперпроводниците на T = 0 се чини дека е следново. Во примероците со мала големина, електроните се расфрлаат од границите на примероците и од границите на кристалитите (чија големина е помала или приближно на големината на примероците). Поради интеракцијата спин-орбита, постои одредена веројатност дека спинот на електронот ќе ја промени својата ориентација за време на таквото расејување. Благодарение на ова, електронскиот систем може да се магнетизира во слабо магнетно поле.
Високотемпературна суперспроводливост
Прашањето за суперспроводливост на висока температура е исклучително важно од практична гледна точка. Од сите познати материјали, легурата (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge има највисока преодна температура до суперспроводлива состојба; Tk за тоа е ~ 20 0 K. За да се добие, потребна е употреба на течен хелиум. Претходно дискутираниот механизам на премин во суперспроводлива состојба се заснова на електронска интеракција преку кристалната решетка, односно поради размена на фонони. Теоријата BCS покажува дека Tk е директно поврзана со интензитетот на привлечната сила што произлегува помеѓу електроните и се одредува со следнава врска:
T k = e -1/g, (82)
каде и е температурата на Дебај, g е константа во зависност од силата на привлекување помеѓу електроните и редот на големина не надминува S, и е скоро секогаш помал од S. При g = 1/3, максималната критична температура што може да се добие за материјал со u = 500 0 K е: T k = e -3 = 0,05u ~ 25 0 K. Се разбира, оваа проценка е многу груба, но доволно е за да се разбере дека не е можно да се постигне суперспроводливост на висока температура (Tc > 70-100 0 K). Треба да се нагласи дека дури и постигнувањето Tk ~ 25 0 K би било исклучително важно од практична гледна точка, бидејќи би овозможило премин од течен хелиум на многу поевтин течен водород. Така, за да се реализира суперспроводливост на висока температура, неопходно е да се бара друг механизам за корелација на електрони.
Идејата за суперспроводливост на висока температура (HTSC) во органски соединенија беше изнесена во 1950 година. Ф. Лондон и само 14 години подоцна одговор на оваа идеја се појави во делата на американскиот физичар В. Литл, кој ја изнесе храбрата претпоставка дека се можни суперпроводници од органска, а не од метална природа. Литл им даде важно место во своето размислување на полимерните молекули, во чиј главен синџир има наизменични единечни и повеќекратни врски (хемичарите ги нарекуваат таквите врски конјугирани). Факт е дека секоја хемиска врска што ги поврзува атомите е пар електрони што им припаѓаат на двата од нив. Во синџирот на конјугирани врски, степенот на социјализација на електроните е уште поголем: секој од нив припаѓа подеднакво на сите атоми на синџирот и може слободно да се движи по него. Корелацијата на електроните што се движат по синџирот се врши поради поларизацијата на овие фрагменти, а не на кристалната решетка. Бидејќи масата на електронот е неколку реда на големина помала од масата на кој било јон, поларизацијата на електронските фрагменти може да биде посилна, а критичната температура повисока отколку со механизмот на позадината. Малку ја сметаше оваа карактеристика на конјугирани врски во главниот синџир на молекулата на полимерот како важен предуслов за премин во суперспроводлива состојба. Тој, исто така, разгледа посебна структура на гранки од главниот синџир неопходна за транзицијата. Откако го подготвил дизајнот на неговиот полимер, научникот заклучил: супстанцијата со такви молекули мора да биде суперспроводлива; Покрај тоа, таа треба да влезе во оваа состојба на не многу ниска температура, можеби блиску до собна температура. Шематски модел на органски суперпроводник е прикажан на Сл. 13.
Ориз. 13
Проводниците ослободени од сите загуби на енергија во сосема обични услови, се разбира, би го револуционизирале електротехниката. Идејата на американскиот физичар беше собрана во многу лаборатории во различни земји. Сепак, брзо стана јасно дека полимерот измислен од Литл не може да оди во суперспроводлива состојба. Но, ентузијазмот роден од смелите идеи вроди со плод, иако не онаму каде што на почетокот се очекуваа. Суперспроводливоста сè уште беше откриена надвор од светот на металите. Во 1980 година, во Данска, група истражувачи предводени од К. Во 1983 година, тим советски физичари, предводени од докторот по физичко-математички науки И.Ф. Шчеголев, постигна премин од супстанција од иста класа во суперспроводлива состојба веќе на 7 степени апсолутна температурна скала и при нормален притисок. За време на сите овие пребарувања и тестови, карабинот не беше игнориран од истражувачите. (Карбинот е органска супстанца која е исклучително ретка по природа. чија структура се бескрајни линеарни синџири од јаглеродни атоми. Ја задржува својата структура кога се загрева до 2000 C, а потоа, почнувајќи од околу 2300 C, се преуредува според тип на графитна кристална решетка Густината на карбинот е 1,92,2 g/cm.
(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))
Теоретскиот модел на високотемпературна суперспроводливост развиен од академик В.Л. Факт е дека во електронски систем има посебни бранови - ексцитони. Како фонони, тие се квазичестички кои се движат низ кристалот и не се поврзани со пренос на електричен полнеж и маса. Модел примерок на таков суперпроводник е метален филм во слоеви на диелектрик или полупроводник. Спроводните електрони кои се движат во металот ги одбиваат диелектричните електрони, односно се опкружуваат со облак од вишок позитивен полнеж, што доведува до формирање на електронски пар. Овој механизам за електронска корелација предвидува многу високи вредности на критичната температура (Tc = 200 K).
На крајот на 1986 година, беше објавен извештај од страна на К. Милер и Ј. суперспроводливоста на лантан - стронциум - керамика, бакар - кислород на температури од 40-50 0 К. суперспроводливоста базирана на керамика започнува на температура од 120 0 К. Во моментов, интензивните пребарувања се вршат за суперпроводници со повисоки температури (можеби дури и собна температура), кои веќе доведоа до откривање на голема класа материјали кои се трансформираат во суперспроводлива состојба на температури на азот. Полимерните суперпроводници се многу ветувачки во овој поглед.
Заедно со потрагата по суперспроводливи материјали со зголемен Tc, врз основа на ефектот на спарување на спроводливи електрони преку позитивно наелектризираните решетки јони, лабораториите ширум светот активно бараат други механизми на интеракција на електроните кои можат да доведат до поефективно привлекување на електроните. и, следствено, на производство на суперспроводливи материјали со значително повисока преодна температура Tc..
1) Во 1957 година, беше создадена универзалната BCS теорија, која даде фундаментално објаснување за феноменот на суперспроводливост.
2) Електронскиот систем во суперпроводник може да се претстави како составен од врзани парови електрони (парови Купер), а возбудувањето како прекин на парови.
3) Електронскиот систем, кој е во суперспроводлива состојба, е одделен од главниот со енергетска празнина со ширина E St.
4) Во точката на премин во суперспроводлива состојба, топлинскиот капацитет нагло се менува.
5) Врз основа на теоријата за суперспроводливост, беше откриен феномен кој беше наречен Џозефсон ефект. Тоа вклучува проток на суперспроводлива струја низ тенок слој на диелектрик кој одвојува два суперпроводници. Постојат два Џозефсон ефекти - стационарни и нестационарни.
6) Магнетниот тек во суперпроводникот е квантизиран и може да заземе само голем број дискретни вредности.
7) Средната состојба на суперпроводниците од тип I зависи од обликот на примерокот, неговата локација во надворешно магнетно поле и не се јавува секогаш. Мешаната состојба на суперпроводниците од типот II е внатрешно својство и се појавува во примероци од која било форма штом магнетното поле достигне критична вредност.
Американските физичари го открија однесувањето на електроните во таканаречената фаза на псевдопроцеп на материјата, која и претходи на состојбата на суперспроводливост.
Суперспроводливост е целосно исчезнување на електричниот отпор на супстанцијата на директна електрична струја на температура под критичната температура. Огромната практична вредност на суперпроводниците лежи во отсуството на загуби на електрична енергија во нив кога тече струја. Но, нивната широка употреба е попречена од многу ниската критична температура. За повеќето супстанции е блиску до апсолутна нула. До 1986 година, највисоката температура ја поседуваше легурата Nb 3 Ge, за која суперспроводливост се појави на температури под 23 K (-250 °). Затоа, се појави важна научна задача: да се пронајдат супстанции кои се трансформираат во суперспроводлива состојба на повисока температура, по можност блиску до собна температура, што се нарекува суперспроводливост на висока температура.
Во 1986 година беа откриени високотемпературни суперпроводници (HTSC) базирани на бакарни оксиди (купрати), а за неколку години критичната температура се искачи на околу 120 К. Сепак, овие супстанции имаат многу сложена електронска структура, што го прави исклучително тешко да се разбере како преминот во суперспроводлива состојба, без која е невозможен развојот на суперпроводници кои работат на повисоки температури. Оттогаш, сложени експерименти се спроведуваат за проучување на ова прашање речиси 30 години.
Особено, беше откриено дека на состојбата на суперспроводливост во HTSC и претходи состојба наречена „фаза на псевдогап“. Овој термин е поврзан со карактеристика на енергетскиот спектар на електроните во супстанцијата (ова е името дадено на дискретното збир на дозволени енергетски нивоа на електрони во атомот). Електроните со ниски енергетски вредности се наоѓаат во валентниот појас, електроните со поголема енергија, способни да се движат низ супстанцијата, се во проводниот опсег. Кај полупроводниците и диелектриците, валентната лента и проводната лента се одделени со опсег на забранети енергетски вредности наречени „јаз“. За да учествува во создавањето на струјата, електронот мора да добие енергија за да прескокне низ јазот од валентната лента до проводната лента. Затоа, колку е поголема ширината на јазот, толку посилни се изолационите својства на материјалот.
Јазот се формира и кај суперпроводниците, но тој има поинаква природа. Кога ќе се појави суперспроводливост, електроните блиску до нивото на Ферми формираат таканаречени парови Купер и се таложат на ниво на Ферми, а ова ниво почнува да го одделува јазот од нивоата на единечни електрони. Нивото на Ферми се одредува според критичната температура.
Се покажа дека на температури над критичните температури, HTSCs имаат состојба со помал број носители на полнеж во близина на нивото на Ферми отколку во конвенционалниот проводник. Овој феномен се нарекува „псевдо-јаз“. Оваа состојба од непозната природа покрена многу прашања меѓу физичарите. Бидејќи состојбата на псевдојаз претходи и делумно коегзистира со (се натпреварува со) суперспроводливоста, научниците веруваат дека проучувањето на оваа состојба ќе помогне да се отклучат мистериите на HTSC. Во последниве години, многу трудови беа посветени на ова прашање, од кои една неодамна беше објавена во списанието "наука" .
Физичарите од Националната лабораторија Брукхевен и Универзитетот Корнел, користејќи уникатен високопрецизен микроскоп за скенирање тунели што го развија, успеаја да ги следат деталите за трансформацијата на купатот од изолатор во суперпроводник, преку фазата на псевдопроцеп. Нивната експериментална поставеност овозможи да се одреди просторната локација и насоката на движење на електроните во материјалот, што овозможи да се откријат два нови феномени.
Во почетната состојба, купратот Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ што се испитува е изолатор. За да се претвори во HTSC, атоми на кислород беа хемиски додадени во него како извор на носители на полнеж (дупки). Овој процес се нарекува допинг, дополнителните атоми се означени во формулата како „+δ“. Физичарите систематски го скенирале материјалот во текот на долг временски период на различни нивоа на допинг за да забележат како однесувањето и распоредот на електроните се менуваат додека материјалот еволуирал во суперспроводлива состојба.
Како што се зголемуваше бројот на носители на полнеж (ниво на допинг), материјалот премина од диелектрична состојба во фаза на псевдопроцеп. При мала густина на носачот на полнење, забележана е прилично статична слика. Се појави егзотично периодично статичко распоредување на некои електрони, наречено „бранови со густина“ или „ленти“. Овие бранови изгледаат како ленти од „замрзнати“ електрони. Брановите со густина, како и движењето на електроните, се ограничени на одредени насоки. Како што бројот на полнежи дополнително се зголемува, научниците откриле дека брановите со густина исчезнуваат и електроните во материјалот стануваат слободни да се движат во која било насока. Покрај тоа, ова се случува на исто ниво на допинг како и појавата на чиста суперспроводливост.
„За прв пат, експериментот директно го поврза исчезнувањето на брановите со густина и поврзаните дефекти на нано-решетката со појавата на електрони со слободно проток во сите правци потребни за неограничена суперспроводливост“, рече главниот автор Шејмус Дејвис. „Овие нови мерења конечно ни покажаа зошто електроните се движат помалку слободно во мистериозната состојба на псевдојаз на овој материјал“.
Дејвис ги споредува набљудувањата со летање над замрзната река, каде што можете да ги видите статичните фрагменти формирани од мразот додека го откривате протокот на течна вода. Овие летови се случуваат повторно и повторно во текот на пролетта додека замрзнатиот воден пат постепено се одмрзнува. Во купратот, наместо да ја зголемат температурата, научниците го зголемија нивото на допинг за да ги „потопат“ брановите со густина на одредена критична точка.
Ова откритие ја потврдува долгогодишната идеја дека брановите со густина се тие што го ограничуваат протокот на електрони и ја нарушуваат максималната суперспроводливост во фазата на псевдојаз. „Статичкото распоредување на електроните и придружните нано флуктуации го нарушуваат слободниот проток на електроните - исто како што мразот на реката го нарушува протокот на течна вода“, вели Дејвис.
Практичната употреба на суперпроводниците долго време е попречена од еден од трите главни фактори: ниски температури на транзиција на суперспроводливост, постоење на критично магнетно поле и критична струја.
Ако HTSCs беа успешно користени во криоелектрониката веќе во 1987 година (магнетни екрани, различни приемници на микробранова радијација со тенок филм кои работат на 77 K), тогаш употребата на HTSC во енергетскиот сектор е прашање на следниот ден. Во 1999 година, на третата меѓународна конференција за физички и технички проблеми на електрични материјали и компоненти (Москва, Кљазма, Русија, автори: А.Д. Никулин, А.К. Широков, А.Б. Воробиова) беше објавено дека во Како резултат на комплекс на истражувања и развој спроведен во VNIINM, беа создадени основите за процесот на создавање едножилни и повеќежилни проводници врз основа на системот на бизмут (Би-2212 и Би -2223), како и масивни производи базирани на HTSC керамика Y - Ba - Cu - O . Композитните HTSC се произведуваат со должина на едно парче до 250 m, со критична струја до 45 A (77 K, O T). Постигнатото ниво на проектна густина на струјата на таквите проводници- до 6 kA/cm 2 (77 K, 0 Ts) овозможи да се започне со производство на криогени електрични производи.
Во соработка со Московскиот авијациски институт, Институтот Курчатов РНС, Институтот за физика со висока енергија и Научно-истражувачкиот институт за електрични машини, беа произведени и успешно тестирани првите примероци на криомотори, струјни кабли и магнетни калеми врз основа на HTSC проводници. .
За употреба во електронската технологија, многу научни групи работат на употреба на HTSC тенки филмови добиени со различни методи. На пример, пристапи за пресметување и производство на филтри со квази-групни и грутчени параметри и мали димензии на фреквенции од 500–2000 MHz, HTSC материјали со температурен коефициент на отпор блиску до нула за производство на прецизни нискотемпературни отпорници, се изучуваат итн.
Изгледите за употреба на суперпроводници беа сосема јасно одразени во написот „Нови суперпроводници: изгледи за примена“ од Алан М. Волски и сор. во Scientific American, 4 април 1989 година, од кои најинтересните се дадени подолу (Слика 10.18). .
Ориз. 10.18. Примени на суперпроводници
Суперспроводливи магнети. Со користење на конвенционален електромагнет, кој е калем од бакарна жица поставена на железно јадро, може да се создадат полиња до 2 Тесла, а бакарните жици можат да издржат густина на струја до 400 A/cm 2 .
Суперпроводниците овозможуваат да се елиминира потребата од железно јадро со зголемување на густината на струјата до 100.000 A/cm 2 . Ваквите густини на струја овозможуваат да се добијат легури од ниобиум-3 и калај и ниобиум со титаниум на температура на течен хелиум (4 К).
Масовните примероци на итриум - бариум - бакар оксид можат да издржат густина на струја до 4000 A/cm 2 на температура на течен азот (77 К) на поле од 1 Т. Во отсуство на магнетно поле, густината на струјата може да достигне 17000 A/cm2.
Генератори и далноводи. Суперспроводливите магнети можат да ја зголемат ефикасноста на генераторите со висока моќност до 99,5%, иако за конвенционалните генератори таа веќе достигнува 98,6%. Годишната заштеда на гориво ќе биде 1%. Суперспроводливите далноводи можат да станат економски исплатливи само ако преку нив се пренесуваат големи количини на енергија.
Складирање на електрична енергија. Уредите за складирање на суперспроводлива енергија ладени со течен азот би чинеле 3% помалку од конвенционалните уреди за складирање енергија, а вкупните капитални трошоци би се намалиле за уште 5%.
Возовите со магнетна левитација се најперспективната примена на суперпроводниците за брзите возови. Трошоците за изградба на пруга долга 500 километри ќе чини 1,5 - 4,5 милијарди долари Цената на самите возови нема да биде повеќе од 10% од вкупните трошоци, а системот за ладење е само 1%.
Ултра ниски температури до 10 -6 K се постигнати во магнетни фрижидери со помош на магнетоелектричниот ефект. Ваквите системи се важни за вселенските и одбранбените програми.
Компјутери и суперпроводници. Во иднина, на HTSC може да се создаде суперкомпјутер со брзина 1000 пати поголема од онаа на компјутерите кои моментално се дизајнираат. Времето на вклучување на Џозефсоновите споеви (два суперпроводници разделени со тенок слој на диелектрик) нема да биде повеќе од 10 -13 секунди за Т кр=10K и 10 -14 s за материјал со Т кр= 100 илјади.
Во 1962 г Г . Б. Џозефсон теоретски го предвидел ефектот на слабата суперспроводливост, што служи како потврда дека суперспроводливоста е квантен феномен. Ефектите на Џозефсон, како ефектот на квантизација на магнетниот тек, покажуваат дека постои конзистентно кохерентно однесување и силна фазна корелација помеѓу суперспроводливите тековни носачи - паровите Купер. Џозефсон покажа дека во експериментите со тунелирање со филмски структури суперпроводник-изолатор-суперпроводник, треба да се очекува истекување на парови од Купер преку диелектричен слој 10-20 А, исто така, може да се забележи тунелирање струја кога нормален метал и суперпроводник се во контакт, разделени со тенок непроводен слој.
Постојат стационарни и нестационарни ефекти на Џозефсон. На стационарен ефектво отсуство на електрично поле, суперспроводлива струја тече низ диелектрикот ако неговата дебелина е од редот на еден до два нанометри. Ова значи дека Купер го спојува тунелот од една електрода до друга без да предизвика пад на напонот. Преминот на струјата на тунелот во овој режим ќе се случи додека нејзината густина не надмине одредена критична вредност, што е карактеристика на контактот на тунелот. Секое магнетно поле влијае на оваа суперспроводлива струја и ја претвора на нула кога вкупниот магнетен тек во диелектричниот јаз е еднаков на цел број на флуксни кванти F 0 . Џозефсоновата струја зависи од магнетното поле според изразот
|
|
(10. 2 9) |
Каде Јас– струја, во зависност од својствата на контактот и независно од полето, Ф 0 – вкупен магнетен тек во тунелскиот контакт.
Нестационарен Џозефсон ефект е тоа што кога густината на директната тунелска струја надминува критична вредност, тогаш на контакт, покрај константната компонента на електричниот напонВ, се појавува и високофреквентна наизменична струја со аголна фреквенција w , и
|
(10.30) |
При контактен напон од 1 mV, фреквенцијата на наизменичната струја Џозефсон е 4,85· 10 - 1 с - 1 , што одговара на електромагнетно зрачење со бранова должина од 600 микрони. Експериментите на Џозефсон со класичните суперпроводници покажаа дека електроните се поврзуваат во парови на Купер и исполнуваат една квантна состојба. Џозефсон ефектите се користат во изработката на инструменти. На нивна основа се создадени магнетометри за квантни пречки.- SQUIDs (скратено за првите букви од англиското име), кои се користат за мерење слаби магнетни полиња до 10 - 15 T како приемници на микробранова радијација и голем број други микроелектроника и суперспроводливи криоелектроники уреди. SQUIDs се создадени врз основа на HTSC керамика кои работат на 77 K. Употребата на Џозефсон-спојните ефекти за суперспроводливи компјутерски производи од новата генерација и други електронски уреди (SQUIDs) (суперспроводен детектор за квантни пречки) ветува. Со помош на SQUID, можете да измерите падови на напон до 10 -18 V, струи од 10 -18 А (неколку електрони во секунда) и магнетни полиња помали од 10 -14 Тесла. Нема аналози на таква чувствителност. Новите суперпроводници овозможуваат прилагодување на фреквенциите до 10-12 Hz (блиску до квантната граница). Чувствителноста на конвенционалните уреди не надминува 10 10 Hz. Примена на лигњи - магнетоенцефалографија, мемориски елементи. Лигњите се користат од страна на физичарите за проучување на кваркови, магнетни монополи, гравитони, а геолози за пребарување на нафта, вода и минерали се развиваат детектори за откривање на подморници.
Не така одамна, феноменот на суперспроводливост на висока температура (HTSC) беше од интерес само за научниците. Сепак, денес комерцијално профитабилните производи базирани на HTSC, вклучително и оние произведени во Русија, влегуваат на пазарот за опрема за електрична енергија. HTSC може да направи чекор напред во технологиите за пренос на енергија.
HTSC воопшто не е жешко
На почетокот на дваесеттиот век, беше откриено дека голем број метали и легури се карактеризираат со суперспроводливост, односно способност да имаат нулта отпорност на температури блиску до апсолутна нула (околу -270°C). Долго време, суперпроводниците можеа да се користат само на температура на течен хелиум, што овозможи да се создаде опрема за забрзување и магнетна резонанцатомографи.
Во 1986 година, суперспроводливоста беше откриена на температура од околу 30 К, на која и беше доделена Нобеловата награда, а во раните 1990-ти. Беше можно да се постигне суперспроводливост веќе на 138K, а не метали, туку оксидни соединенија беа користени како суперпроводник.
Керамичките материјали кои имаат нулта отпорност на температури над температурата на течниот азот (77 К) се нарекуваат високотемпературни суперпроводници (HTSC). Меѓутоа, ако го претвориме Келвин во степени Целзиусови, кои ни се попознати, ќе разбереме дека зборуваме за не премногу високи температури, да речеме, за минус 169–200 ° C. Ниту суровата руска зима не е во состојба да обезбеди такви услови.
Умовите на истражувачите се возбудени од идејата да се најдат материјали што можат да се пренесат до суперспроводливостсостојба на собна температура (293K). Теоретски, таква можност постои. Според некои извештаи, суперспроводливите својства наводно биле откриени дури и кај поединечни зрна графит по посебен третман. Денес, потрагата по суперпроводници на „собна температура“ (RTSC) се смета за една од клучните истражувачки задачи во областа на нанотехнологијата. Сепак, не само практичната примена, туку и веродостојната експериментална потврда на CTSC останува прашање за утре. Денешната електроенергетска индустрија ја совладува употребата на суперпроводници со висока температура.
Опремата базирана на суперспроводливост на висока температура бара ладење со течен азот. Според експертите од индустријата, тоа е релативно евтино и практично средство за ладење кое обезбедува температури од 77 K и овозможува спроведување на практични проекти.
Придобивките од суперспроводливоста
Суперспроводливоста може да се користи (и веќе се користи) на различни полиња. За прв пат се користеше за создавање магнети со високо поле. Со помош на суперпроводници може да се постигне магнетна левитација, овозможувајќи им на возовите со голема брзина да се движат непречено, без бучава или триење. Се создаваат HTSC електрични мотори за бродови и индустријата,кои имаат значително помали параметри за тежина и големина со еднаква моќност. Суперспроводливоста е интересна од гледна точка на микроелектрониката и компјутерската технологија. Суперпроводниците со ниска температура се користат во медицинските дијагностички уреди (томографи), па дури и во такви егзотични проекти за „меганаука“ како што се Големиот хадронски судирач и Меѓународниот термонуклеарен реактор.
Високотемпературната суперспроводливост е поврзана со надежите за надминување на глобалната енергетска дилема поврзана, од една страна, со постојаното зголемување на потрошувачката на енергија во сегашноста и иднината, а од друга страна, со неопходнострадикално да се намалат емисиите на јаглерод за да се спречат климатските промени. На крајот на краиштата, во суштина, HTSC ја изнесува вообичаената опрема за генерирање и пренос на електрична енергија на принципново ниво во однос на ефикасноста.
Една од најочигледните примени на суперпроводниците е во преносот на електрична енергија. HTS каблите можат да пренесуваат значителна моќност со минимален пресек, односно имаат пропусен капацитет од различен редослед од традиционалните кабли. Кога струјата минува низ суперпроводник, не се создава топлина и практично нема загуби, што го решава главниот проблем на дистрибутивните мрежи.
Генератори благодарение на намотките направени од суперспроводливостматеријалите кои обезбедуваат огромни магнетни полиња стануваат многу помоќни. На пример, концернот Сименс изгради три HTSC генератори со моќност до 4 MW. Машината е два пати полесна и помала во споредба со конвенционален генератор со иста моќност. Исто така, генераторот HTSC покажа поголема стабилност на напонот при промена на оптоварувањето и подобри перформанси во однос на потрошувачката на реактивна енергија.
Денес, светот активно развива генератори на ветер базирани на суперспроводливост на висока температура. Користење наНамотките HTSC овозможуваат создавање на генератори на HTSC од 10 MW, кои ќе бидат 2–4 пати полесни од конвенционалните.
Ветувачка област за широка употреба на суперпроводници се уредите за складирање на енергија, чија улога е голема и од гледна точка на развојот на современи енергетски системи кои користат обновливи извори на енергија. Дури и познатата електрична опрема, како што се трансформаторите, добива квалитативно нови карактеристики благодарение на HTSC.
Суперспроводливоста овозможува да се создадат такви необични уреди како ограничувачи на струја на краток спој, кои целосно автоматски ја ограничуваат струјата за време на краток спој и автоматскисе вклучува кога ќе се отстрани кусиот спој.
Лента од втора генерација
Кои од овие ветувачки идеи се веќе спроведени во пракса и со чии напори? Пред сè, треба да се забележи дека денес на пазарот се нудат високотемпературни суперпроводници од првата и втората генерација (HTSC-1 и HTSC-2). Во однос на обемот на произведени производи до денес, VTSP-1 сè уште победува, но за експертите е очигледно дека иднината за суперпроводницивтора генерација. Ова се должи на фактот дека во дизајнот на суперпроводниците HTSC-2, повеќе од 70% е матрица направена од сребро.
Една од клучните руски компании што работи на темата суперпроводници од втората генерација е SuperOx CJSC. Потекнува од ѕидовите на Московскиот државен универзитет Ломоносов, каде што научна група од Хемискиот факултет работеше на технологијата на таложење на тенки филмови на суперпроводници. Во 2006 година, врз основа на акумулираното знаење, започна комерцијален проект за создавање домашно производство на HTSC жици од втора генерација.
Во 2011 година, сферата на интереси на SuperOx беше проширена преку тесна соработка со новосоздадената компанија SuperOx Japan LLC. Создадена е пилот-производна линија која овозможува производство на HTSC жица со критична струја до 500 A/cm ширина. Од 2011 година, компанијата SuperOx-Innovations исто така е жител на Сколково, каде што спроведува применети истражувања насочени кон оптимизирање на техничките карактеристики на HTSC лентите од втората генерација и развива различни технологии за производство на овие материјали. Во 2013 година, производството на лента VTSP-2 беше лансирана во технолошкиот парк Москва Слава.
„Нашиот производ, втората генерација на суперспроводлива лента, е подлога направена од специјален нерѓосувачки челик, отпорна на високи температури, која последователно не ги губи своите механички својства кога се нанесуваат тенки фолии“, вели Вадим Амеличев, водечки специјалист во SuperOx АД. - Со посебни методи, на оваа подлога се нанесуваат слоеви од пуфер оксид, а како функционален слој се нанесува фолија од гадолиниум-бариум купат. Оваа структура потоа се обложува со тенки слоеви сребро или бакар и се користи како таква. во суперспроводливостуреди.
Овој материјал, со дебелина на филмот од само еден или два микрони, има капацитет на струја од околу 500 А на 1 mm² пресек, што е стотици пати повеќе од онаа на конвенционалниот бакарен кабел. Според тоа, оваа лента е идеална за апликации каде што е потребна висока струја. Каблите за високи струи, магнети за високи полиња се главните области на примена“.
SuperOx има целосен циклус на производство за VTSP-2 лента. Продажбата на овој иновативен производ започна во 2012 година, а сега материјалот се доставува не само во Русија, туку и се извезуваво девет земји, вклучително и Европската унија, Јапонија, Тајван и Нов Зеланд.
„Нема многу производители на лента VTSP-2 во светот“, објаснува Вадим Амеличев. - Има две американски компании, компании во Јужна Кореја и Јапонија. Во Европа никој освен нас не произведува таква лента во индустриски размери. Нашата лента беше тестирана во многу истражувачки центри и ја потврди својата конкурентност неговите карактеристики“.
Развијте нова индустрија
„И покрај фактот дека суперспроводливоста на висока температура се појави неодамна, прашањата за нејзината примена во технологијата интензивно се проучуваат во технолошкиразвиените земји во светот“, вели Виктор Панцирни, доктор по технички науки, полноправна членка на АЕС на Руската Федерација, директор за развој на руски суперпроводник АД, „Кај нас, во рамките на Комисијата под претседателот на Руската Федерација. Федерација за модернизација и технолошкиЗа развој на руската економија, проектот „Индустрија на суперпроводници“ беше инициран како дел од проектот „Иновативна енергија“ во приоритетната област „Енергетска ефикасност“.
Овој проект во областа на индустријата за суперпроводници е координиран од руската компанија Суперпроводник, создадена од Државната корпорација Росатом. Во текот на петгодишниот период од 2011 до 2015 година, тие планираат да создадат конкурентни технологии за производство на високотемпературни суперпроводници од втората генерација, пилотско производство на долги (до 1000 m) жици со лента HTSP-2, како и да развијат прототипови на опрема базирана на HTSP-2 жици за електроенергетската индустрија. Ова се генераториограничувачи со голема моќност и струја (COT) и уреди за складирање на кинетичка енергија (KNE), како и моќни струјни кабли за магнетни системи, индуктивни уреди за складирање енергија (SPIN), трансформатори, електрични мотори со голема моќност.
Почнувајќи од 2016 година, се планира да започне сериско производство на жици HTSC-2 и голем број уреди базирани на нив. Во работата на овој проект се вклучени околу 30 организации, вклучувајќи универзитети, академски и индустриски истражувачки центри, дизајнерски бироа и индустриски организации, особено АД ВНИИНМ, АД НИИЕФА, АД НИИТФА, АД ГИРЕДМЕТ, АД „НИФХИ“, АД ТВЕЛ, А.Д. „Точмаш“ и надвор од него, во Националниот истражувачки центар „Институт Курчатов“, ЕНИН нив. Кржижановски, FSBEI MAI, NRNU MEPhI, SUAI, JSC Rosseti, JSC STC FGC UES, JSC SuperOx, JSC VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor итн.
„Структурно, проектот се состои од девет задачи кои се извршуваат паралелно“, објаснува Виктор Панцирни. - Од 2011 до 2013 г успеа да ги создаде првите домашни оперативни прототипови на суперспроводливи машини - мотор и генератор од 50 kW, уред за складирање кинетичка енергија од 0,5 MJ, ограничувач на струја на куса врска со суперспроводливост од 3,5 MW за 3,5 kV енергетски мрежи, суперспроводлив трансформатор од 10 kVA, струјни кабли за магнетни системи, поминувајќи струја од 1500А.
Создадени се и основите на технологијата за целосно домашно производство на жици со ленти VTSP-2, почнувајќи од суровини и завршувајќи со методи за следење на готови производи. Пронајдени се основни технолошки решенија кои овозможија да се премине кон создавање на прототипови на енергетски уреди во целосен обем. Така, работата на создавање на мотор од 200 kW моментално е завршена“.
Благодарение на употребата на намотки HTSP-2, таков мотор кога се инсталира за електричен автомобил(електричен автобус) ќе ја зголеми километражата за 15–20% помеѓу полнењето на батериите. Направен е суперспроводлив ограничувач на струја на куса врска со моќност од повеќе од 7 MVA и се подготвува за тестирање во железничката транспортна мрежа. Привршува производството на генератор од 1 MVA, ветувачки за употреба во ветерни електрани.
Се создава уред за складирање на кинетичка енергија врз основа на уникатните технологии на Rosatom со суперспроводливостсуспензија на замаци, која има енергетски интензитет од повеќе од 7 MJ. Вреди да се забележи развојот на индуктивен уред за складирање на енергија способен да ослободи акумулирана енергија до неколку MJ за исклучително кратко време. Во завршна фаза е и работата на создавање на суперспроводлив трансформатор со капацитет од 1000 kVA.
„Покрај тоа, најважните резултати од проектот ќе бидат создавањето на моќен експериментален и технолошкибаза, како и формирање на тимови од високо квалификувани специјалисти во областа на технологиите на суперпроводници, заклучува Виктор Панцирни. - Годинава во Истражувачкиот центар на Институтот Курчатов ќе биде пуштена во употреба сеопфатна производствена и истражувачка линија за производство на суперпроводници на лента HTSC-2 со ласерска аблација. Линијата ќе стане алатка за развој на науката и технологијата на HTSC материјали, користејќи максимално моќна научна инфраструктура на Центарот Курчатов NBICS. Ова ќе овозможи интензивен развој на ветувачка високотехнолошка област која води кон комерцијализацијасуперспроводливи технологии“.
AC кабли
Невозможно е да не се зборува за рускиот проект за создавање суперспроводлив кабел долг 200 метри OJSC „Енергијаинститут нив. Г.М. Кржижановски“(ЕНИН), OJSC „СерускиНаучно-истражувачки институт за кабловска индустрија (ВНИИКП), Московски авијациски институт и Научен и технички центар на електроенергетската индустрија OJSC. Развојот започна во 2005 година, во 2009 година беше создаден прототип, кој беше успешно тестиран на специјално креирана единствена локација за тестирање.
Главните предности на HTSC кабелот се големото струјно оптоварување, малите загуби, еколошката пријатност и безбедноста од пожари. Дополнително, при пренос на голема моќност преку таков кабел на напон од 10–20 kV, не се потребни меѓутрафостаници.
HTSC кабелот е сложена повеќеслојна структура. Централниот потпорен елемент е изработен во форма на спирала од нерѓосувачки челик, опкружена со сноп од бакар и жици од не'рѓосувачки челик обвиткани со бакарна лента. На врвот на централниот елемент се поставени два слоја суперспроводливи ленти, а на врвот е поставена високонапонска изолација. Потоа следи примена на суперспроводлив екран, слој од флексибилни бакарни ленти обвиткани со лента од нерѓосувачки челик. Секое јадро на кабелот е вовлечено во сопствен флексибилен криостат долг 200 m.
Создавањето на оваа повеќекомпонентна структура е комплицирано поради фактот што лентата HTSC е исклучително чувствителна. Главниот дел од технолошките операции беше спроведен врз основа на АД VNIIKP. Сепак, за производство на високонапонска изолација, кабелот беше пренесен во Перм до фабриката Камски Кабел.
„Ние ја извршивме операцијата за нанесување хартиена изолација за HTSC кабелот“, вели Александар Азанов, заменик главен технолог на Kamsky Cable LLC. - Користена е уникатна опрема која претходно се користеше за производство на високонапонски кабли наполнети со масло. Затоа не се штедеа средства за испорака на полупроизводот од Москва до Перм и назад. И мислам дека засега, за производство на такви специјални кабли, препорачливо е да се користи уникатна опрема инсталирана во различни фабрики, наместо да се организира производство на едно место.
Во блиска иднина, организацијата на сериско производство на овој кабел во нашата или која било друга фабрика е малку веројатно, бидејќи инсталацијата на линии со суперпроводнициСе произведува исклучително ретко и во многу кратки должини (не повеќе од 1 км). Главната причина за ова е цената на каблите HTSC и нивното одржување (неопходно е постојано да се пумпа течен азот низ кабелот).
DC кабли
Денес, развојот на настаните во областа на создавање HTSC кабли продолжува. А.Д. Првиот прототип на идниот иновативен систем за пренос на енергија - два дела од 30 m биполарен HTSC кабел, развиен во Научниот и технички центар на FGC UES и произведен во фабриката Иркутскабел - успешно ги помина тековните тестови и висок напонтестови во 2013 година
Во ноември 2014 година беа извршени тестови на комплет опрема за конверзија за иновативен пренос на енергија со капацитет од 50 MW користењесуперспроводлив кабел долг неколку стотици метри. Употребата на HTSC кабел за напојување на големите градови ќе овозможи да се намали површината на земјиштето и да се одбие од изградбатанадземни водови и намалување на загубите на електрична енергија.
Центарот за истражување и развој на FGC UES забележува дека DC кабелската линија базирана на HTSC има голем број на предности во споредба со линијата за наизменична струја. Тоа не само што ви овозможува да пренесувате енергија со минимални загуби, туку и да ги ограничите струите на куса врска, да ја регулирате реактивната моќност, да го контролирате протокот на моќност и да обезбедите нејзино обратно.
„Убаво е да се знае дека руските развивачи на HTSC кабли се во првите редови“, вели Виталиј Висоцки, доктор по технички науки, академик на Руската академија на науките, директор на научната насока - раководител. оддел за суперспроводливи жици и кабли на АД „ВНИИКП“. - На пример, кабел од 200 m беше најголем во Европа во 2009–2013 година, а само во 2014 година беше поставен кабел од 1 km во Германија. Но и овој рекорд ќе биде соборен со тестирање на кабел од 2,5 километри за Санкт Петербург“.
Од државна поддршка до приватни инвестиции
Експертите предвидуваат прилично активен развој на глобалниот и рускиот пазар на суперпроводници. Така, Андреј Вавилов, претседател на Одборот на директори на SuperOx CJSC, забележува дека обемот на глобалниот HTSC пазар се удвојува секоја година и ќе достигне 1 милијарда долари во 2017 година, додека уделот на Руската Федерација на светскиот пазар може да се процени на приближно 10%.
„Пазарот за суперспроводливост за електроенергетската индустрија мора да се развие, бидејќи густината на потрошувачката на енергија постојано расте и без суперспроводливост е невозможно да се поддржат растечките барања“, вели Виталиј Висоцки. - Сепак, енергетските работници се многу конзервативни во однос на се ново, па дури и и скапи.Затоа, засега главна задача е да се промовираат нови проекти со поддршка на владините организации. Ова ќе биде доказ за сигурноста и ефикасноста на суперспроводливите уреди. Појавата на нови проекти ќе создаде побарувачка за производство на HTSC ленти, ќе го зголеми нивното производство и ќе ги намали цените, што повторно ќе помогне во развојот на пазарот“.
„Во оваа фаза, сеопфатното решение на сите поставени задачи е невозможно без целосна помош на државата, но секоја година се зголемува инвестициската атрактивност на технологијата HTSC, што ни овозможува со висок степен на доверба да очекуваме прилив на приватни инвестиции. во нејзиниот понатамошен комерцијален развој“, се согласува со неговиот колега Виктор Панцирни.
Експертите се задоволни што генерално на државно ниво постои разбирање за важноста на суперспроводливите технологии.
„Развојот на индустријата за суперпроводници е од национално значење и е важен дел од транзицијата до иновативнипатот на развојот на економијата на земјата. Ова неодамна беше констатирано на проширен состанок на Советодавниот совет под претседателот на Комитетот за енергетика на Државната дума на Федералното собрание на Руската Федерација, каде, особено, беше забележано дека со цел да се обезбеди економска и политичка независност на Русија, стратешки е неопходно да има домашно производство на ниско ниво и висока температурасуперспроводливи материјали, суперспроводливи уреди и производи базирани на нив“, известува Виктор Панцирни.
Идни планови
Побаравме експерти да проценат кои апликации на суперспроводливост, според нивното мислење, се најмногу ветувачки и каде можеме да очекуваме комерцијална употреба на технологијата во наредните години.
„Како и во целиот свет, проектите за суперспроводливи кабли се најнапредните во Русија денес. Тие мора и, се надеваме, ќе се развиваат“, вели Виталиј Висоцки. - Суперспроводливите кабли базирани на HTSC веќе се чисто комерцијален производ, иако се уште се прилично скапи. Ќе поевтини кога ќе започне неговото широко распространето воведување и ќе биде потребна значителна количина HTSC ленти, што ќе ги намали трошоците нивното производство.
Сепак, според мене, најпотребно и на побарувачкатаза електроенергетската индустрија се суперспроводливи ограничувачи на струјата на куса врска за напонски нивоа од 100 kV и погоре. Конвенционалните уреди од оваа класа на напон едноставно не постојат, и едноставно не може да се направи без суперспроводливост. Кај нас веќе се разговара за вакви проекти. Покрај тоа, според мое мислење, HTSC машините за генератори на ветер имаат добри изгледи. Тие ветуваат значително (за неколку пати) намалување на тежината на еден генератор и зголемување на моќноста на единицата“.
„Денес, двигател за развојот на пазарот на суперспроводливи производи е електроенергетската индустрија (напојувачки кабли и ограничувачи на струјата), вели Андреј Вавилов. „Но, постои значителен потенцијал и во голем број други индустрии. На пример, денес се развиваат опции за користење на HTSC жица како ефикасна замена за ниски температурни суперпроводници во акцелераторската технологија што се користи за наука, производство на изотопи и медицина. Русија има големи планови во оваа област, особено за изградба на модерниот судирач NICA во Дубна.
Создавањето ефикасни ротирачки машини со уникатни карактеристики на влечење, мала маса и тежина има голем потенцијал. Таквите мотори се барани првенствено за да се обезбеди движење на големи бродови, а може да се користат и генератори во обновливиенергија.
Феноменот на магнетна левитација отвора сосема нови перспективи денес. Тоа не се само транспортни системи, туку и бесконтактни манипулатори, како и издржливи лежишта со широк опсег на примени“.
„Понатамошниот развој на високотемпературната суперспроводливост ќе има изразен мултипликативен ефект не само во електроенергетската индустрија,но и во други индустрии, како вселенска, воздухопловна, поморска, автомобилска и железницататранспорт, машинство, металургија, електроника, медицина, акцелераторска технологија. Технологиите за суперспроводливост се исто така важни за зајакнување на одбранбената способност на земјата“, убеден е Виктор Панцирни.
Со еден збор, понатамошниот развој на технологии засновани на суперспроводливост отвора огромни изгледи за човештвото, и во догледна иднина.