Історія вивчення деяких чудес надпровідності
Коли давньогрецький філософ Фалес Мілетський (625-547 рр. до н.е.) ще тільки дивувався "силі, що таїться в янтарі і у магнітному камені…", опанований вогонь уже світив, обігрівав, спалював ворогів і плавив залізо. Від вогню людина повернулась до опанування холоду. Відбулося це зовсім недавно, але створений нею рукотворний холод уже знайшов собі чимало застосувань.
Про надпровідність, при наближені до температури близької до абсолютного нуля (-273,16°С), стало відомо у 1911 році завдяки відкриттю Камерлінг-Оннеса (1853-1926). Він виявив, що при низьких температурах електричний опір деяких металів повністю зникає.
Поняття абсолютний нуль увів у фізику в 1848 році Уільям Томсон (1824-1907), – в 1892 році за наукові досягнення він отримав титул лорда Кельвіна, ввів поняття «абсолютної температури» і «абсолютну шкалу температур, – шкалу Кельвіна», створив різні електровимірювальні прилади, розробив теорію термоелектричних явищ.
Протягом десятиліть дослідженням надпровідності, цього загадкового явища, займалися лише деякі фізичні лабораторії. Довгий час про надпровідність знали мало вчених, зайнятих розробкою фундаментальних основ фізики твердого тіла, термодинаміки, електромагнетизму.
Сьогодні надпровідність – це одна з цікавих і досліджуваних галузей фізики, явище, що відкриває перед інженерною практикою вагомі перспективи. В наш час розширюється використання явища надпровідності для турбогенераторів, електродвигунів, уніполярних машин, топологічних генераторів, жорстких і гнучких кабелів, комутаційних пристроїв, магнітних сепараторів, транспортних систем і багато іншого.
При абсолютному нулі молекули речовини володіють найменшою енергією, що уже не може бути віднята у тіла ні при якому охолодженні, або шляхом виконання якої-небудь роботи в близькості абсолютного нуля, згідно третьому закону термодинаміки (тепловому закону Вальтера-Фридриха-Германа Нернста): абсолютний нуль температури недосягнений. При кожній спробі охолодити речовину енергії в неї залишається усе менше і менше, але всю її речовина ніколи не зможе віддати більш холодному тілу. З цієї причини вчені і не досягли абсолютного нуля, хоча уже можна досягти температур порядку мільйонних часток градуса. Такі температури фізики називають кріогенними (від грецького слова " кріо " – холод).
При кріогенних температурах відбувається багато цікавого. Ртуть замерзає так, що нею можна забивати цв’яхи, гума розлітається на осколки від удару молотком, деякі метали стають тендітними як скло…
Ще сторіччя тому так і вважали: абсолютний нуль – це смерть матерії. Але фізики одержали можливість працювати при наднизьких температурах, і виявилося, що простір поблизу абсолютного нуля не такий уже й мертвий. Зовсім навпаки: тут починають виявлятися численні красиві ефекти, що при звичайних умовах, як правило, замасковані тепловим рухом атомів. Саме тут відбувається той дивний і парадоксальний ефект, котрий називається надпровідністю. Надпровідність – здатність речовини пропускати електричний струм, не роблячи йому навіть найменшого опору.
Класична теорія електромагнетизму добре пояснювала той факт, що опір електричного провідника зменшується разом з падінням температури. Схематично: електричний струм є не що інше, як проходження вільних електронів через структурну кристалічну решітку провідника. Для плюсової температурі теплові коливання атомів у решітці збільшують можливість зіткнення електронів з ними, – це затримує потік електронів, що означає збільшення опору струму. При низькій температурі амплітуда коливань атомів зменшується, електрони зіштовхуються з атомами менш часто і струм зустрічає менший опір. При наближеній температурі до нуля передбачається, що коливання зовсім припиняються. Однак невеликий опір струму все-таки залишається, тому що деякі електрони усе ще будуть зіштовхуватися з тепер уже нерухомою структурною коміркою, з дефектами і забрудненнями, що спотворюють структуру комірки у всіх кристалах провідника. Ця модель тривалий час задовольняла фізиків.
Відкриття Камерлінг-Оннеса в 1911 році показало її непридатність. Камерлінг-Оннес заморозив ртуть за допомогою рідкого гелію в кріостаті і пропустив через неї струм. Опір ртуті зменшувався разом з температурою. Ртуть поводилася звичайним чином до поки температура не досягла 4,2К. Раптом електричний опір ртуті зник не було навіть передбаченого класичною моделлю залишкового опору, який вказує на зіткнення між електронами та дефектами і домішками в структурній кристалічній решітці ртуті.
Камерлінг-Оннес в 1914 році визначив, що й інші метали, такі як олово, свинець, тантал і ніобій, також виявляють таке ж різке зникнення опору поблизу абсолютного нуля.
Камерлінг-Оннес, проводячи дослідження з охолоджуваною гелієм котушкою в кріостаті, яка знаходилася у надпровідному стані помітив при цьому, що струм в котушці від зовнішнього джерела струму, створював навколо неї магнітне поле, яке легко виявлялося по відхиленню магнітної стрілки, розташованої поза кріостатом. Стрілка компаса залишалася відхиленою і тоді, що вказувало на наявність струму в замкнутому контурі котушки, коли вона була відключеною від зовнішнього джерела струму. Спостерігаючи за стрілкою протягом декількох годин (поки не випарувався весь гелій із посудини), Оннес не помітив ні найменшої зміни у відхиленні стрілки. "Навіть наступного дня, – писав Оннес, – електрони продовжували рух в котушці. Було встановлено, що час загасання струму в котушці перевищує багато років. Як тільки котушку виймали з кріостата, який охолоджувався гелієм, струм негайно припинявся." По результатам досвіду Оннес прийшов до висновку, що опір надпровідного свинцевого провідника щонайменше в 1011 раз менше його опору при нормальному (ненадпровідному) стані, – а і з освоєнням надпровідності для електротехніки почнеться «золоте» століття. В 1913 році публікує в журналі "Повідомлення з лейденської лабораторії" статтю, де пропонує побудувати потужний електромагніт з обмотками із надпровідного матеріалу. Такий магніт не споживав би електроенергії, і з його допомогою можна було б одержувати дуже сильні магнітні поля. Оннес думав, що оскільки опір дорівнює нулю, то струм у замкнутому колі провідників, відповідно до закону Ома, може бути як завгодно великим. Як тільки пробували пропускати по надпровіднику значний струм, надпровідність зникала. І це ще не все. Незабаром виявилося, що і слабке магнітне поле (з індукцією, що дорівнює сотим часткам Тл (тесла)) також знищує надпровідність. Це відкриття на довгі роки погасило райдужні надії фізиків і електротехніків. Існування критичних значень температури, струму і магнітної індукції різко обмежувало практичні можливості надпровідників. Стало ясно, що надпровідність – не більш ніж фізична іграшка, феномен, що збуджує цікавість фізиків.
Проведення екпериментів поводження ідеального провідника (тобто провідника, в якому відсутній електричний опір) в різних умовах при охолодженні нижче критичної температури електропровідність стає нескінченною. Саме ця властивість і дозволяла вважати надпровідник ідеальним провідником.
Як було зясовано, магнітні властивості ідеального провідника залежать від того, яким шляхом він попадає в магнітне поле. Справді, наприкінці цих двох операцій – накладання і зняття поля – зразок провідника виявляється в тих самих умовах – при однаковій температурі і нульовому зовнішньому магнітному полю. Але магнітна індукція металу-зразка в обох випадках зовсім різна – нульова в першому випадку і максимальна, – залежна від початкового магнітного поля в другому.
У 1933 році німецькі фізики Вальтер Фріц Мейснер (1882-1974) і Роберт Оксенфельд (1901-) вирішили експериментально перевірити, як саме розподіляється магнітне поле навколо надпровідника. Результат виявився несподіваним. Незалежно від умов проведення експерименту магнітне поле в глиб надпровідника не проходило.
Але експеримент, який іноді називають "магометовою труною", було здійснено в 1945 році московським професором В. К. Аркадєвим. Постійний магніт, що лежить на свинцевій пластинці, піднімався на деяку висоту і висів над пластинкою, у якій циркулювали незатухаючі надпровідні струми. Магніт вільно парив над шаром надпровідника, підтримуваний власним магнітним полем. Для магнітного поля надпровідник - нездоланна перешкода, площина, від якої, як від дзеркала, відбивається це поле. Найменший рух магніту викликає зміну магнітного поля надпровідних струмів. Зі збільшенням магнітного поля надпровідні струми теж зростають, щоб зберегти ідеальний діамагнетизм. Коли прикладене магнітне поле стає досить великим, екрануючі струми досягають свого критичного значення і метал втрачає надпровідні властивості. При цьому струми зникають, і магнітне поле здійснює проникність в метал. Взагалі говорячи, у цьому немає нічого дивного. Діамагнетизм надпровідників – це поверхневий ефект; магнітне поле не здійснює проникність в товщу зразка. Однак воно не може бути виштовхнуте цілком з усього об'єму металу, включаючи його поверхню. Інакше на поверхні магнітне поле стрибком зменшиться до нуля. Отже, магнітне поле хоч не багато, але проникає у надпровідник. Таким чином, хоча ми і говоримо, що надпровідник є ідеальним діамагнетиком, насправді магнітне поле злегка в нього проникає.
Надпровідність виникає, коли електрони в металі групуються в пари, які взаємодіють через кристалічну решітку. Електрони тісно зв'язані, так що розірвати пари і роз'єднати електрони надзвичайно важко. Такі могутні зв'язки дозволяють електронам рухатися без всякого опору крізь структурну решітку кристала, допомагаючи один одному.
Виходячи з цих представлень, Джон Бардін (1908-1991), Леон Нил Купер і Джон Роберт Шріффер у 1957 р. створили довгоочікувану мікроскопічну теорію надпровідності, за яку у 1972 р. отримали Нобелівську премію. Ця теорія, відома сьогодні під назвою "теорія БКШ", не тільки дозволила з упевненістю сказати, що механізм надпровідності дійсно ясний, але і вперше привела до встановлення зв'язку між критичною температурою Тк і параметрами матеріалу.
Обмотку соленоїда можна зробити із надпровідного матеріалу. Такий соленоїд може працювати, майже не споживаючи електроенергії, оскільки один раз збуджений у ньому струм не загасає. Потрібно тільки підтримувати соленоїд при низькій температурі, а для цього вимагаються дуже малі потужності. Таким чином, експлуатація надпровідних магнітів виключає потребу у великих джерелах живлення. Для джерел живлення годяться звичайні батареї, чи генератори або акумулятори.
З ростом споживаних потужностей гострою стає проблема передачі енергії. Джерела живлення енергії і її споживачі часто розділені величезними відстанями. Як краще передавати енергію? Сьогодні електроенергія транспортується споживачам в основному за допомогою повітряних ліній передачі (ЛЕП). Звичайно, дуже заманливим для рішення цієї проблеми, є явище надпровідності. Провідник без опору ідеально підходить саме для цієї мети. Перші кроки в цьому напрямку були зроблені ще в 60-х роках. Уже тоді американець Р. Мак-фи підрахував, що по надпровідному кабелю товщиною в руку можна пропускати всю пікову потужність, що виробляється електростанціями США.
Ідея створення надпровідних кабелів зміцнювалася в гострій науковій боротьбі. Необхідно було вирішити, чи буде застосування надпровідників економічно конкурентно здатним в якому-небудь інтервалі напруг. Виконаний ще радянськими інженерами техніко-економічний аналіз показав, що при великій потужності надпровідний кабель є в 2..3 рази дешевшим звичайного, а втрати енергії в ньому скорочені приблизно в 25 разів. Сам по собі надпровідний матеріал набагато дорожчий міді, однак струмонесуча жила виявляється дешевшою. Причина ясна: адже дротом площею перетину 1 мм² можна пропускати не 1-2 А, а 10 кА.
Але треба відзначити, що в кабелях змінного струму деяка частина енергії все-таки губиться. Адже при протіканні змінного струму у надпровідному кабелі присутній електричний опір. Обумовлено це явище впливом змінного електричного поля на одинарні електрони в надпровіднику. Протягом одного півперіоду струму їхня швидкість наростає від нуля до максимуму і знову падає до нуля, a потім струм змінює напрямок на протилежний, і усе повторюється знову. Таким чином, струм що йде по надпровіднику витрачає свою енергію на коливальні рухи електронів. Виникаючий опір, хоча він і малий в порівнянні з опором металу в нормальному стані, усе-таки приводить до виділення тепла, і кабель потрібно охолоджувати.
Основні труднощі, що виникають при прокладанні надпровідного кабелю – тепловий захист надпровідника. Локалізувати кабель від великого припливу тепла ззовні можна за допомогою вакуумної ізоляції. Кабель має вид багатошарової труби і, по суті, являє собою кріостат (для трифазної системи потрібно 4 труби-кріостати). Внутрішня труба діаметром близько 70 мм, покрита шаром надпровідного матеріалу товщиною близько 0,3 мм, заповнена рідким гелієм, який женуть по ній помпи. Надпровідником може бути використаний, наприклад, сплав ніобію, титана і цирконію. Між першою і другою трубами вакуумна ізоляція, між другою і третьою протікає рідкий азот, між третьою і четвертою (зовнішньою) знову вакуумна ізоляція. Незважаючи на простоту конструкції, монтаж такої лінії пов'язаний із значними труднощами. Треба забезпечити герметичність кабелю, навчитися збирати його з окремих коротких відрізків, розробити рефрижератори, компенсатори деформацій і інше устаткування. "Холодні" лінії повинні витримувати перевантаження й аварійні режими, тому важливо їх удосконалювати і розробити чіткий регламент експлуатації в різних режимах роботи та приведення до стабілізаційного режиму роботи.
Ще одна немислима конструкція на надпровідниках – трансформатор постійного струму. Трансформатор – один з найпоширеніших виробів електротехнічної промисловості. Він настільки простої конструкції, що поліпшити його неймовірно важко. Сьогоднішній прогрес у трансформаторобудуванні зв'язаний з удосконаленням технології їхнього виготовлення. Промисловість пропонує тисячі типів трансформаторів – різні за потужностю, вагою, кількістю обмоток. Однак не існує трансформатора постійного струму. Одержати постійний струм у вторинній обмотці ненадпровідного трансформатора неможливо. У звичайних умовах не можна передати енергію від однієї обмотки до іншої за допомогою постійного струму, тому що струм у первинній обмотці, а отже і магнітний потік у магнітопроводі не змінюється за величиною і напрямком. Тільки при включенні, коли струм у первинній обмотці наростає, тобто під час перехідного процесу, у вторинній обмотці виникає імпульс струму, але він швидко згасає через електричний опір вторинної обмотки. Якщо зробити обмотки трансформатора надпровідними у кріостаті, первинну обмотку з'єднати через вимикач із джерелом струму поза кріостатом, а вторинну замкнути на надпровідну ділянку, то описаний перехідний процес буде проходити інакше. При подачі струму в первинну обмотку у вторинній обмотці індукується електрорушійна сила під час перехідного процесу, що викликає струм, який не загасає навіть тоді, коли вже немає електрорушійної сили, оскільки опір надпровідника дорівнює нулю. За допомогою таких трансформаторів постійного струму можна подавати в обмотку, яка знаходиться в кріостаті з рідким гелієм невеликий струм по тонких провідниках, трансформувати цей струм, доводячи його силу до десятків тисяч ампер. І ці величезні струми будуть циркулювати по надпровідній вторинній обмотці, у той час, як від джерела живлення поза кріостатом, що має кімнатну температуру, трансформатору в первинну обмотку буде подаватися струм усього кілька ампер.
25 років поспіль в науці було відкрито новий клас сплавів (металооксидні кераміки), які переходять у надпровідний стан при температурах набагато вищих температур кипіння рідкого азоту, – азот дешевше і простійший в експлуатації рідкого гелію. Використання високотемпературних надпровідників стає реальністю.
Усього за відкриття в галузы надпровідності було видано п'ять Нобелівських премій з фізики: в 1913, 1972, 1973, 1987 та 2003 роках.
P. S.
Німецькі енергетики планують в м. Гессені замінити високовольтний електрокабель з мідними струмопровідними фазами на надпровідний електрокабель середньої напруги, про що повідомляє «CyberSecurity». Водночас повідомляє Deutsche Welle в Гессені, в центрі Рурської області, планується прокласти у землі найдовший у світі надпровідний електрокабель довжиною один кілометр. Він посяде перше місце у світі, після нинішнього рекордсмена довжиною в 600 метрів в Нью-Йорку. Технологічний інститут в Карлсруе разом із німецьким енергетичним концерном RWE і французьким товариством Nexans – найбільшим в світі виробником електрокабелів, – розробив проект під назвою AmpaCity.
Гессенська трифазна ЛЕП розрахована на потужність 40 МВт і напругу 10 кВ, робоча температура – мінус 180 °С. Прокладання електрокабеля планується завершити до кінця 2013 року.Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua
