Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

 
 

Сайт электрика

Электрик Инфо » Интересные факты

Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературная сверхпроводимостьИзначально сверхпроводники имели применение очень ограниченное, поскольку их рабочая температура не должна была превышать 20К (-253°C). Так, например, температура жидкого гелия в 4,2К (-268,8°C) хорошо подходит для работы сверхпроводника, но для охлаждения и поддержания такой низкой температуры требуется затратить много энергии, что технически весьма проблематично.

Высокотемпературные же сверхпроводники, открытые в 1986 году Карлом Мюллером и Георгом Беднорцем, показали критическую температуру значительно выше, и температуры жидкого азота в 75К (-198°C) таким проводникам вполне достаточно для работы. Кроме того, азот значительно дешевле гелия в качестве хладагента.

Открытие в 1987 году «скачка проводимости почти до нуля» при температуре 36К (-237°C) у соединений лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) стало началом. Затем впервые было открыто свойство соединения иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O) проявлять сверхпроводящие свойства при температуре 77,4К (-195,6°C), превышающей температуру кипения жидкого азота.

В 2003 году открыли керамическое соединение Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), имеющее критическую температуру 138К (-135°C), и доходящую до 166К (-107°C) при давлении 400 кбар; а в 2015 году был установлен новый рекорд для сероводорода (H2S), который стал сверхпроводником при давлении в 100 ГПа, при температуре не превышающей 203К (-70°C).

американские физики

Сверхпроводимость как физическое явление, впервые на микроскопическом уровне, была объяснена в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера еще в 1957 году. В основу их теории была положена концепция о так называемых куперовских парах электронов, а сама теория получила название теории БКШ, по первым буквам фамилий ее авторов, и по сей день эта макроскопическая теория сверхпроводников является доминирующей.

сверхпроводимость

Согласно этой теории, состояния электронов куперовских пар коррелируют с противоположными спинами и импульсами. Вместе с тем, в теории использовались так называемые преобразования Николая Боголюбова, показавшего, что сверхпроводимость можно рассматривать как процесс сверхтекучести электронного газа.

Вблизи поверхности Ферми электроны могут эффективно притягиваться, взаимодействуя между собой посредством фононов, причем притягиваются лишь те электроны, энергия которых отлична от энергии электронов на поверхности Ферми не более чем на величину hVd (здесь Vd – Дебаевская частота), а остальные электроны не взаимодействуют.

Взаимодействующие электроны и объединяются в куперовские пары. Эти пары обладают некоторыми, характерными для бозонов, свойствами, а бозоны при охлаждении могут переходить в одно квантовое состояние. Таким образом, благодаря этой особенности, пары могут двигаться, не сталкиваясь ни с решеткой, ни с другими электронами, то есть куперовские пары движутся без потерь энергии.

зависимость объем - мощность

Практически, высокотемпературные сверхпроводники обеспечивают передачу электроэнергии без потерь, что делает их внедрение и применение в будущем полезным и эффективным. Силовые кабели, трансформаторы, электрические машины, индуктивные накопители энергии с неограниченным сроком ее хранения, ограничители тока и т.п., - всюду в электротехнике применимы высокотемпературные сверхпроводники.

Габариты будут уменьшены, потери будут снижены, эффективность производства, передачи и распределения электрической энергии в целом повысится. Трансформаторы будут иметь меньшую массу и очень низкие потери, по сравнению с трансформаторами, обладающими обычными обмотками. Сверхпроводящие трансформаторы будут экологически безопасными, их не нужно будет охлаждать, а в случае перегрузки ток будет ограничен.

Сверхпроводящие ограничители тока менее инерционны. При включении накопителей энергии и сверхпроводящих генераторов в электрические сети, повысится их стабильность. Электроснабжение мегаполисов будет осуществляться посредством сверхпроводящих подземных кабелей, которые смогут проводить в до 5 раз больший ток, а прокладка таких кабелей позволит значительно экономить городские площади, поскольку кабели будут более компактными по сравнению с применяемыми сегодня.

использование сверпроводящих кабелей

Расчеты показывают, что, например, построение ЛЭП на 1ГВт при напряжении 154 кВ, если использовать сверхпроводящие кабели, обойдется на 38% дешевле, чем если бы это было реализовано по стандартной технологии. И это с учетом конструирования и монтажа, ведь число требуемых нитей меньше, соответственно общее количество кабеля меньше, и внутренний диаметр кабелепроводов также меньше.

Примечателен тот факт, что по сверхпроводящему кабелю можно передать значительную мощность и при низком напряжении, снизив электромагнитное загрязнение окружающей среды, а это актуально для густонаселенных районов, где прокладка высоковольтных линий порождает беспокойство, как среди экологов, так и у общественности.

Перспективно внедрение высокотемпературных сверхпроводников и в сферу нетрадиционной энергетики, где экономичность выступает отнюдь не второстепенным фактором, и применение здесь сверхпроводников повысит эффективность новых источников. Тем более, уже на ближайшие 20 лет, имеет место устойчивая тенденция к их быстрому развитию в мире.

Андрей Повный


Сейчас самое время поделиться статьей и добавить ее в закладки!


Тематические разделы: Электрик Инфо » Интересные факты

Другие статьи:

  • Сверхпроводимость в электроэнергетике. Часть 2. Будущее за сверхпроводникам ...
  • Сверхпроводимость в электроэнергетике: настоящее и будущее
  • Уже в ближайшем будущем все силовые кабели будут из сверхпроводящих материа ...
  • Будущее энергетики - сверхпроводниковые электрогенераторы, трансформаторы и ...
  • Термоэлектрический модуль Пельтье - устройство, принцип действия, характери ...
  • Наноантенны - устройство, применение, перспективы использования

  •  
    Добавление комментария
    Имя:*
    E-Mail:
    Комментарий:
    Введите код: *

    Электрика дома  | Электрообзоры  | Энергосбережение
    Секреты электрика | Источники света | Делимся опытом
    Домашняя автоматика | Электрика для начинающих
    Электромастерская | Электротехнические новинки

    Электрик Инфо - электротехника и электроника, домашняя автоматизация, статьи про устройство и ремонт домашней электропроводки, розетки и выключатели, провода и кабели, источники света, обзоры электротехнических новинок, интересные факты и многое другое для электриков и домашних мастеров.
    Copyright © 2008-2016 electrik.info
    Е-mail: electroby@mail.ru Сайт в Google+
    Вся информация на сайте Электрик Инфо предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет. Сайт может содержать материалы 12+
    Перепечатка материалов сайта запрещена.

    Полезное

    Светодиодные лампы и светильники IEK