Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Справочник электрика / Полезная информация / Применение сверхпроводимости в науке и технике


 

Применение сверхпроводимости в науке и технике



Сверхпроводимостью называется квантовое явление, заключающееся в том, что некоторые материалы при доведении их температуры до определенной критической, - начинают проявлять нулевое электрическое сопротивление.

На сегодняшний день ученым известно уже несколько сотен элементов, сплавов и керамик, способных вести себя подобным образом. Перешедший в сверхпроводящее состояние проводник начинает проявлять то что называется эффектом Мейснера, когда магнитное поле из его объема полностью вытесняется наружу, что, конечно, противоречит классическому описанию эффектов, связанных с обычной проводимостью в условиях гипотетически идеального, то есть нулевого сопротивления.

Обычный металл и сверхпроводник, сверхпроводимость

В период с 1986 по 1993 годы был открыт целый ряд высокотемпературных сверхпроводников, то есть таких, которые переходят в сверхпроводящее состояние уже не при столь низких температурах как температура кипения жидкого гелия (4,2К), а при температуре кипения жидкого азота (77 К) — в 18 раз более высокой, чего в лабораторных условиях можно добиться гораздо проще и дешевле чем с гелием.

Усиленный интерес к вопросу практического применения сверхпроводимости начался в 1950-е годы, когда сверхпроводники второго рода с их высокими показателями плотности тока и магнитной индукции ярко вышли из-за горизонта. Далее они стали приобретать все большее практическое значение.

Создание идеальных магнитов

Закон электромагнитной индукции сообщает нам, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. А поскольку сверхпроводники проводят ток без сопротивления, то достаточно просто поддерживать подобные материалы при правильных температурах, и таким путем получать детали для создания идеальных электромагнитов.

Например в медицинской диагностике технология магнитно-резонансной томографии предполагает использование в томографах мощных сверхпроводящих электромагнитов. Без них врачам бы не удалось получать столь впечатляющие изображения внутренних тканей человеческого организма с высоким разрешением не прибегая к использованию скальпеля.

Большое значение получили такие сверхпроводящие сплавы как ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово, из которых технически несложно получить стабильные тонкие сверхпроводящие нити и многожильные проводники.

Экспериментальная установка Т-7

Ученые давно создали ожижители и рефрижераторы с высокой хладопроизводительностью (на уровне температур жидкого гелия), именно они способствовали развитию сверхпроводниковой техники еще в СССР. Уже тогда, в 80-е, были построены крупные электромагнитные системы.

Была запущена первая в мире экспериментальная установка Т-7, предназначенная для изучения возможности инициирования реакции термоядерного синтеза, где для создания тороидального магнитного поля требовались сверхпроводящие катушки. В больших укорителях элементарных частиц сверхпроводящие катушки также применяются - в пузырьковых камерах для жидкого водорода.

Разрабатываются и создаются турбогенераторы (в 80-е на основе сверхпроводников созданы сверхмощные турбогенераторы КГТ-20 и КГТ-1000), электродвигатели, кабели, магнитные сепараторы, транспортные системы и т. д.

Расходомеры, измерители уровня, барометры, термометры — для всех этих высокоточных приборов отлично подходят сверхпроводники. Главными же крупными направлениями промышленного применения сверхпроводников остаются два: магнитные системы и электрические машины.

Раз сверхпроводник не пропускает магнитного потока, значит изделие такого рода экранирует магнитное излучение. Данное свойство сверхпроводников применяется в точных микроволновых устройствах, а также при защите от столь опасного поражающего фактора ядерного взрыва, как мощное электромагнитное излучение.

Поезд на магнитной подушке

В результате низкотемпературные сверхпроводники остаются незаменимыми при создании магнитов в таком научно-исследовательском оборудовании, как ускорители частиц и установки термоядерного синтеза.

Поезда на магнитной подушке, активно эксплуатируемые сегодня в Японии, уже способны двигаться со скоростью 600 км/ч и давно доказали свою реализуемость и эффективность.

Сверхпроводники в передаче электроэнергии

Отсутствие электрического сопротивления у сверхпроводников делает процесс передачи электрической энергии более экономичным. Так, единственный сверхпроводящий тонкий кабель, проложенный под землей, принципиально смог бы передавать мощность, для передачи которой традиционным способом понадобился бы толстый жгут проводов — громоздкая линия.

Сверхпроводящая линия электропередачи

На данный момент остаются актуальными лишь проблемы стоимости и обслуживания, связанные с необходимостью непрерывно прокачивать через систему азот. Тем не менее в 2008 году в Нью-Йорке фирма American Superconductor успешно запустила первую коммерческую сверхпроводящую ЛЭП.

Кроме того, существует технология промышленных аккумуляторов, позволяющая уже сегодня накапливать и хранить (аккумулировать) энергию в форме незатухающего циркулирующего тока.

Комбинируя сверхпроводники с полупроводниками, ученые создают сверхбыстрые квантовые компьютеры, являющие миру новое поколение вычислительной техники.

Явление зависимости температуры перехода вещества в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля - положено в основу управляемых резисторов - криотронов.

На данный момент, конечно, можно говорить о значительных успехах в плане продвижения к получению высокотемпературных сверхпроводников.

Так, например, металлокерамический состав YBa2Cu3Ox переходит в сверхпроводящее состояние при температуре выше температуры сжижения азота!

Однако большинство подобных решений связано с тем, что получаемые образцы хрупки и нестабильны, посему в технике по-прежнему остаются актуальными упомянутые выше сплавы ниобия.

Сверхпроводимость в физике

Сверхпроводники позволяют создавать детекторы фотонов. Некоторые из них используют андреевское отражение, другие эффект Джозефсона, факт наличия критического тока и т. д.

Построены детекторы регистрирующие единичные фотоны ИК-диапазона, выказывающие ряд преимуществ перед детекторами на иных принципах регистрации, такими как фотоэлектрические умножители и др.

Ячейки памяти могут создаваться на основе вихрей в сверхпроводниках. Похожим образом уже применяются некоторые магнитные солитоны. Двумерные и трехмерные магнитные солитоны похожи на вихри в жидкости, где роль линий тока исполняют линии выстраивания доменов.

Сквиды — миниатюрные кольцевые приборы на базе сверхпроводников, действующие на основе связи между изменением магнитного потока и электрического напряжения. Такие микро-приборы работают в магнитометрах повышенной чувствительности, способных измерять магнитное поле Земли, а также в медицинском оборудовании для получения магнитограмм сканируемых органов.