Сверхпроводящих материалов

ходятся в сверхпроводящем состоянии. ......."

ное сжатие магнитного потока и тем самым уменьшение магнитной проводимости участков магнитной цепи по сравнению с ЭДН без экранов. Глубина проникновения магнитного потока в тело экрана зависит от электропроводности материала экрана и времени воздействия магнитного потока на экран. В предельном случае сверхпроводникового экрана, находящегося в сверхпроводящем состоянии, весь магнитный поток вытесняется в зазор 5 и проводимость рассеяния во всем диапазоне 0 будет постоянной и минимальной: A!=AIO.

Таким образом, обтекаемый электрическим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой «сверхпроводниковый электромагнит», не требующий питания током. Однако оказшюсь, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры свыше температуры перехода ТКР, но также и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля со значением магнитной индукции выше некоторого критического значения ВКР. Это объясняется диаграммой состояния сверхпроводника, схематически изображенной на 2.8(а). Каждому значению температуры данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение ВКР. Зависимость ВКР от температуры во многих случаях описывается формулой

Сверхпроводящие свойства Y—Ва—Си—О системы зависят от соотношения двухвалентной и трехвалентной меди Си2+/Сия+; изменяя это соотношение можно регулировать сверхпроводящие свойства. К настоящему времени подучены сверхпроводники, имеющие температуру перехода от —168 °С до —163 °С и плотность тока в сверхпроводящем состоянии до 104 А/см2, что несколько меньше,чем' для металлических «традиционных» сверхпроводников.

Экспериментальным путем, установлено (эффект Мейснера): если приложить магнитное поле параллельно сверхпроводящей проволоке, то при определенной (критической) величине напряженности этого поля сопротивление проволоки внезапно восстанавливается. Физический смысл этого явления состоит в том, что изменение внешнего магнитного поля индуцирует токи на поверхности металла. Магнитное поле и поверхностный ток проникают в сверхпроводник на глубину 10—100 нм. Наличие тока в очень тонком поверхностном слое сверхпроводника приводит к увеличению его сопротивления. Напряженность внешнего магнитного поля в криотроне изменяется с помощью тока /упр, пропускаемого через управляющий провод. В зависимости от величины этого тока скачкообразно меняется ток вентильного провода от значения /вент, max, когда провод находится в сверхпроводящем состоянии, до значения /вент-min при восстановлении его сопротивления.

К криогенным температурам относят температуры в пределах 20...О К. Известно, что сопротивление любого металла при понижении температуры падает. Однако в некоторых металлах и сплавах, помимо такого нормального уменьшения удельного сопротивления, наблюдается и совершенно новое явление: при температуре около 20 К и ниже их сопротивление падает до нуля. Такие материалы называются сверхпроводниками. В настоящее время сверхпроводимость удалось обнаружить примерно у двадцати элементов (в частности, свинца, ртути, алюминия, теллура), многих металлических сплавов (сплава свинца с золотом), а также у других соединений, содержащих неметаллы (сульфида, меди, карбида, молибдена и др.). Если в кольцо из сверхпроводящего материала ввести ток, то он будет присутствовать в нем очень долго (в течение многих месяцев и даже лет). Это объясняется тем, что электроны проходят через материал, находящийся в сверхпроводящем состоянии, без потерь энергии.

Сверхпроводимость— состояние некоторых проводников, когда их электрическое сопротивление становится пренебрежимо малым; сверхпроводник имеет удельное сопротивление р в 1014 раз меньше, чем медь, т. е. величину порядка 10~1в ом • мм^/м. Сверхпроводимость появляется ниже определенной, так называемой критической температуры Ткр. Наиболее высокая критическая температура 20,05°К зарегистрирована для твердого раствора ниобия, алюминия и германия, состав которого соответствует формуле Nb3 Al0j8i Ge0?2. Для остальных сверхпроводников эта температура ниже, около 4—10° К- Если сверхпроводник при Т <; Гкр поместить в поперечное магнитное поле, то состояние сверхпроводимости сохраняется лишь ниже определенной, так называемой, критической напряженности магнитного поля Якр. Когда по сверхпроводнику, находящемуся в поперечном-магнитном поле с Я < Якр при температуре Т < Ткр пропускают электрический ток, то состояние сверхпроводимости сохраняется только ниже определенной, так называемой, критической плотности тока /кр. Критические параметры Гкр, Якр, Укр и закономерности их изменения играют важную роль при исследованиях сверхпроводников. Обычно /кр относят к определенным значениям напряженности поля Я и температуры Т. В сверхпроводящем состоянии магнитное поле за счет экранирующих токов в поверхностном слое проводника почти полностью вытесняется из> всего сечения за исключением- этого слоя, где поле проникает на глубину, примерно, 5 • 10~2 мкм. Различают сверхпроводники первого и второго рода. Материалы первого рода теряют свойства сверхпроводимости уже при слабых магнитных полях и относительно небольших плотностях тока. Сверхпроводники второго рода сохраняют сверхпроводящее состояние вплоть до высоких значений напряженности магнитного поля. Что касается величины критической плотности тока, то она тесно связана с наличием неоднородностей в струк-. туре материала и примесей. Если таких искажений и примесей нет, то сверхпроводники второго рода относят к мягким (идеальным), при сильных магнитных полях они допускают небольшие плотности тока. Сверхпроводники второго рода с неоднородностями

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать,неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддер(живать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс, характерного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электрическим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от источника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Я и магнитной индукцией В, закончились неудачей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Тс, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В0 (в первом приближении, по крайней мере для чистых сверхпроводни-ковых металлов, безразлично, создается ли индукция ?с током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверхпроводника, изображенной на ^:?47т- Каждому значению температуры Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции) перехода бс. Наибольшая возможная температура перехода Тсо (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается

В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Ок-сепфельд сделали новое фундаментальное открытие: они обнаружили, что сверхпроводники при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками, т. е. их относительная магнитная проницаемость ur (см. стр. 14) скачком падает от конечных значений, для подавляющего большинства сверхпроводников, весьма близких к 1, до значения \ir = 0. Поэтому внешнее магнитное поле не может проникать в сверхпроводящее тело (р-ие.—7-29); -если же переход этого тела в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника. Этот эффект был продемонстрирован в 1935 г. В. К. Аркадьевым в его знаменитом опыте с висящим магнитом.Когда магнит / (ржг."7-21) опускают в чашку из находящегося в сверхпроводящем состоянии материала 2, этот магнит отталкивается от чашки и остается в уравновешенном состоянии в воздухе, не касаясь чашки. Аналогично можно заставить сверхпроводящее тело висеть над( поверхностью магнита. В 50-х годах нашего столетия были открыты новые сверхпроводники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверхпроводниковых металлов (сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками И рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверхпроводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние («фаза А. И. Шальни-кова») между нижним 5С1 и верхним 6С2 значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур Т < Тсл. В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном напряжении сохраняется, т. е. р =0, но эффект Майснера —Оксен-фельда—Аркадьева выражен не полностью, т. е. относительная магнитная проницаемость сверхпроводника цг > 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряжения в нем наблюдаются некоторые потери энергии и т. п. Кроме того, свойства сверхпроводников II рода в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. п.

р том, что «металлический» водород (который предполагается получить из обычного твердого водорода, имеющего температуру плавления при нормальном давлении около 14 К, посредством воздействия на него чрезвычайно высокого гидростатического давления) может находиться в сверхпроводящем состоянии при температурах, равных десяткам и даже сотням кельвинов.

Отметим, что все приведенные выше температуры весьма низки, а некоторые приближаются к температуре жидкого водорода. (При атмосферном давлении температура жидкого водорода равна 20,25 К.) В сверхпроводящем состоянии вещество пропускает электрический ток без потерь, поэтому теоретически можно представить себе ситуацию, при которой весьма высокие расходы на поддержание низкой температуры будут компенсированы за счет снижения потерь энергии и линия электропередачи с использованием сверхпроводников станет экономически конкурентоспособной. К сожалению, в действительности все обстоит не так просто. . .

При включении идеальной катушки (г = 0) с индуктивностью L(pnc. 4.1, а) под действием напряжения сети в ней возникает ток и ЭДС самоиндукции. Идеальные индуктивности существуют реально — это обмотки электромагнитных исследовательских устройств элементарных частиц, выполненные из сверхпроводящих материалов, сопротивление которых при криогенных температурах равно нулю.

Так как длины обмоток ротора и статора не могут превышать размеров генератора, а частота вращения ротора постоянна, то в соответствии с формулой (3) мощность генератора можно повысить только увеличением индукции ротора. Это приводит к возрастанию токов в роторе и статоре, а также к квадратичному возрастанию тепловых потоков в обмотках. Для снижения перегрева обмотки, который может привести к разрушению изоляции ее проводов, применяют полые проводники, охлаждаемые изнутри водородом или водой в зависимости от мощности электрогенератора. Дальнейшее увеличение мощности генератора возможно за счет использования сверхпроводящих материалов.

Для большинства сверхпроводящих материалов зависимость критической плотности тока /с от индукции магнитного поля В, превышающей 4—5 Тл с достаточной точностью аппроксимируется выражением В/с—const. При создании сверхпроводящих соленои-

Для большинства сверхпроводящих материалов зависимость критической плотности тока ус от индукции магнитного поля В, превышающей 4—5 Тл, с достаточной точностью аппроксимируется выражением Bje = = const. При создании сверхпроводящих соленоидов выявилось явление деградации, заключающееся в снижении критического тока по сравнению с током длинной прямой проволоки.

В одновитковом контуре, проходящем по полярному кругу, при суточных вариациях будет наводиться ЭДС, равная всего 43 В, но при сильных магнитных бурях максимальная ЭДС будет уже 43 кВ. При выполнении такого контура из меди из-за большого активного сопротивления не удается снять ощутимой мощности. Выходом из этой, казалось бы, безнадежной ситуации является изготовление контура из сверхпроводящих материалов. Применение сверхпроводящих материалов позволит снизить внутреннее сопротивление контура почти до нуля и уменьшить сечение витка на порядок. Сверхпроводящий энергетический контур целесообразно выполнять из нескольких десятков витков, снижая при этом площадь контура. В зависимости от мощности можно применять сверхпроводящий кабель или провод.

Открытия фундаментальных наук и требования промышленности ставят новые задачи перед создателями электрических машин и в то же время указывают пути к решению традиционных проблем электромашиностроения. Появление сверхпроводящих материалов новых типов, мощных электромагнитов, новых видов электротехнической стали предопределяет дальнейшие пути развития электрических машин, в которых будут участвовать и многие читатели этой книги.

Синхронная машина со сверхпроводящими обмотками возбуждения может работать в генераторном и двигательном режимах. Применение криогенных двигателей обеспечивает снижение габаритов и повышение их энергетических показателей. Однако дефицит гелия и сверхпроводящих материалов ограничивает применение криогенных машин [36].

Теоретические и экспериментальные работы по сверхпроводимости, которые в настоящее время ведутся широким фронтом во всем мире, преследуют цель, во-первых, разработки новых сверхпроводящих материалов с более высокой Твр на основе рассмотренного механизма объединения электронов в пары через решетку; во-вторых, изыскания новых более эффективных видов взаимодействия электронов, способных привести к их объединению в пары с более высокой энергией связи и более высоким параметром g. Возможно, что на этом пути удастся в конце концов получить высокотемпературную сверхпроводимость, практическую значимость которой трудно переоценить.

Широко развернувшиеся вслед за этим поиски новых сверхпроводников привели к волнующим открытиям. Во многих странах были обнаружены новые сверхпроводящие материалы, только уже не металлы, а сплавы и особые соединения, которые не теряли сверхпроводящих свойств даже при очень больших токах и в сильных магнитных полях. Этими материалами оказались в основном сплавы и соединения ниобия. Теперь можно было приступать к созданию проволоки, кабелей и шин из сверхпроводящих материалов, к техническому использованию сверхпроводимости.

Промышленность, и в особенности электроэнергетическая, тоже, естественно, не могла упустить широких возможностей использования сверхпроводящих материалов. Как на пример можно указать на уже построенные в различных странах униполярные двигатели со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, мощностью до 10000 киловатт. По всем показателям — весу, габаритам, стоимости, эксплуатационным расходам и надежности работы — эти электродвигатели превосходят аналогичные машины с медной обмоткой возбуждения.

Такое же положение и с энергетическими термоядерными установками, которые, возможно, удастся создать в не слишком отдаленном будущем. Существенным элементом этих генераторов, топливом для которых будет служить обыкновенная вода, также является мощная магнитная система с такими высокими значениями магнитного поля, которые не удастся обеспечить при помощи обычных магнитных систем. Эта задача, по-видимому, неразрешима без применения сверхпроводящих материалов.