Закрити

  Авторизація

Логін
Пароль
Запам'ятати на 2 тижні?

Забули пароль?
Якщо ви незареєстровані, пройдіть реєстрацію
Останні новини
Останні новини
Турбіни для Дністровської ГАЕС має постачати «Турбоатом», а не «CNEEC»…
19.11.2018р.

Намір державного ПрАТ «Укргідроенерго» замовити...

Можна взяти участь у світовому конкурсі Start Up Energy Transition
19.11.2018р.

Українські компанії та стартапи, що розробляють...

Консолідація зусиль для забезпечення сталого розвитку…
19.11.2018р.

9-й Міжнародний форум з енергетики для сталого...

Енергоальтернативна ініціатива інженера-селянина
16.11.2018р.

Фаховий інженер Анатолій Стафійчук з села Бронниця,...

За 10 місяців експортовано електроенергії на $266 млн
16.11.2018р.

Україна у січні – жовтні 2018 року експортувала...

Опитування
Опитування

Вам подобається оновлений портал?

3908
08.04.2009р. |
Надпровідники зменшать втрати енергії

Досліджуючи властивості зріджених газів, 1911 року видатний голландський фізик Гайке Камерлінг Онес зробив дивовижне відкриття: в ртуті, охолодженій до температури 4,1 К, зникає опір електричному струму.

Це явище назвали надпровідністю. Потім було встановлено, що не лише ртуть, а й деякі інші метали та сплави за певних температур Тс (так званих критичних температур переходу в надпровідний стан) втрачають електричний опір, точніше, їх опір дорівнює нулю, а речовини з такими властивостями називають надпровідниками. Лише в 1930 році німецькі фізики Фріц Лондон та Гайнц Лондон опублікували перше тлумачення надпровідності, у 50-х з’явилася успішна феноменологічна теорія Гінзбурга – Ландау, а через кілька років американці Джон Бардін, Леон Н. Купер та Джон Р.Шріфер обґрунтували актуальну і донині квантово-механічну теорію надпровідності.

Чому ж досі електричні проводи та кабелі, електромагніти, котушки електричних машин і багато чого іншого не виготовляють, за незначними винятками, з надпровідників? Адже не було б втрат енергії в лініях електропередач, електромашин тощо.

Основна причина, через що широке застосування електропроводів з нульовим опором надовго загальмувалось з самого початку, – складно і досить дорого було одержати та підтримати дуже низькі температури Тс перших надпровідників. Спочатку їх погоджувалися застосовувати лише у винятково дорогих наукових експериментальних установках (для виготовлення потужних надпровідних електромагнітів, охолоджуваних в гелієвих кріостатах (за температури -269 ºС).

Процес, так би мовити, пішов у 1986 р., коли німецький фізик Йоганнес Георг Беднорц та швейцарець Карл Алекс Мюллер з дослідницького центру фірми IBM відкрили явище надпровідності в деяких речовинах за температур, вищих від точки кипіння рідкого азоту (77,35 K або -195,80 °C). Азот був найбільш поширеним охолоджувальним засобом, тому такі надпровідники назвали «високотемпературними» (ВТНП). З цими надпровідниками стало можливим дешеве охолодження, тобто відкрилась перспектива їх промислового застосування.

Нині за поведінкою в магнітному полі відомо три типи надпровідників. У надпровідниках 1-го типу магнітне поле витіснене на поверхню. Такий надпровідник стає звичним провідником (тобто з опором) коли або зовнішнє магнітне поле набуває критичної індукції Вс, або ж густина струму в ньому перевищить критичне значення Jc. З’ясувалося, що за температур, близьких до абсолютного нуля (від 0 К до 4 К), надпровідність 1-го типу притаманна майже всім металам та багатьом іншим матеріалам. Прикладами є оливо та алюміній.

У надпровідниках 2-го типу за відповідної критичної температури магнітне поле з нижньою критичною індукцією Bc1 не проникає всередину речовини. Зі зростанням індукції магнітне поле починає пронизувати надпровідник у вигляді так званих вихорів, перш ніж з досягненням верхньої критичної індукції Вс2 не втратиться його надпровідність – це і є ВТНП. Приклади: YBa2Cu3O7 (ітрій-барієвомідний оксид) з пороговою температурою 93 К та Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (вісмут-стронцій-кальцієвомідний оксид) зі 110 K. Рекорд утримує з 1993 року HgBa2Ca2Cu3O8 зі 133 K.

Магнітні вихори у взаємодії зі струмом у надпровіднику породжують сили Лоренца, які спричинюють пересування вихорів, їх зіткнення з елементами кристалічної решітки і, таким чином, появу опору. Тому виникла ідея створити в кристалічній решітці надпровідника так звані закріплювальні центри (пінінгцентри – pinningcenters), які б стримували пересування вихорів хоча б до певного граничного значення сили Лоренца. Щойно вище цього значення починається відрив вихорів від пінінгцентрів та їх пересування, внаслідок чого надпровідність зникає. ВТНП з пінінгцентрами називають надпровідниками 3-го типу, а також жорсткими надпровідниками. На жаль, за сучасного стану науки та техніки жоден з типів надпровідності неможливий за кімнатних температур.

Одним із доказів того, наскільки важливим для науки та техніки вважається з’ясування природи і технологічне освоєння надпровідності, є те, що за дослідження надпровідників 1-го та 2-го типів у 2003 р. Нобелівська премія була присуджена російським науковцям В.Гінзбургу та А.Абрикосову.

Технологія виготовлення перших ВТНП полягала у спіканні потрібних речовин з наступною обробкою киснем, внаслідок чого отримували керамічний гранульований матеріал. Останнім часом ВТНП вирощують також у вигляді монокристалів, що складніше технологічно, зате ВТНП мають набагато кращі властивості, ніж керамічні.

Надпровідники 1-го типу, передусім, застосовуються для створення і збереження найсильніших магнітних полів (1,...10 Тл). Котушки електромагнітів, виготовлені з надпровідників, дають змогу економно створювати такі магнітні поля, бо їх струм не обмежується внутрішнім опором, може досягати великих значень та не спричинює таких втрат енергії, як у звичних котушках, виготовлених з провідників. Вони використовуються у наукових пристроях для прискорення елементарних частинок (циклофазотронах). Надпровідні електромагніти плазмотронів створюють і підтримують магнітні поля силою 5 Тл, потрібні для відтворення та збереження плазми. Тільки завдяки надпровідним електромагнітам стало можливим виробництво поширених тепер у медицині магніторезонансних томографів. У них надпровідні електромагніти з 800-витковими котушками зі струмом 400 А створюють магнітне поле 1,5 Тл. Надпровідність дає змогу після зарядки котушок струмом замкнути їх накоротко, механічно від’єднати від джерел струму і залишити в ізольованій ємності, періодично доливаючи до неї рідкий гелій. Магнітне поле, створюване такими котушками, константне протягом багатьох років, якщо не переривається охолодження.

Надпровідники 1-го типу застосовують також у приладах для вимірювання малих магнітних полів (SQUID).

З появою ВТНП пов’язували сподівання на швидкий розвиток безвтратних систем електропередавання, однак шлях до їх реалізації виявився надзвичайно складним і тривалим. Першою проблемою є і надалі охолодження. Хоча рідкий азот у 20-30 разів дешевший від рідкого гелію, все одно потрібні дорогі холодильні комірки як для одержання холодильного медіуму, так і для підтримання охолодженого стану надпровідника. Очевидно, що для протяжних систем (електропередач) холодильні комірки набагато дорожчі, ніж для компактних. З проблемою охолодження тісно пов’язана також проблема підведення струму до ВТНП від звичайного неохолодженого провідника. По-друге, матеріал ВТНП – це кераміка, яка крихка, вироблені тільки з неї проводи чи кабелі не витримують механічних навантажень в умовах будівництва та експлуатації. По-третє, якщо провід з чистого ВТНП втрачає надпровідність, наприклад, через появу надструмів чи надкритичних магнітних полів, він миттєво (стрибкоподібно) стає діамагнетиком, майже ізолятором, тобто коло струму зазнає комутації (розриву). Оскільки струм, згідно з законами комутації, не може змінитися миттєво, він тече по поверхні цього проводу, завдаючи незворотних пошкоджень. Дві останні проблеми розв’язують таким чином, що нитки ВТНП вплітаються в багатожильні мідні чи навіть срібні проводи фаз кабелю або лінії електропередачі, або ж ВТНП наноситься тонким шаром (кілька мкм) на поверхню звичайного механічно стійкого провідника. У 2007 році науковці Oak Ridge National Laboratory та University of  Tennessee, USA, нанісши шар ВТНП 6-мкм на відповідно препаровані провідники, за температури 65 К та магнітного поля до 3 Тл досягли критичної густини струму 460 А/мм2. А фахівці American Superconductor повідомили про розроблену ними технологію виготовлення стрічкових проводів YBCO шириною 4 мм довжиною до 100 м, за якою шар ВТНП осаджується на нікелеву стрічку. З азотним охолодженням провід витримує струм 140 А – у 150 разів більший, ніж мідний провід того ж перерізу. Ця компанія до кінця 2008 року випустила 750 000 м різних зразків ВТНП проводу, а у 2010-му планує виробляти 2 млн м щороку. Такі надпровідні проводи вже застосовуються для виготовлення котушок електромашин, як-от: синхронних генераторів та компенсаторів, суднових тягових та промислових електродвигунів, електромагнітів поїздів на магнітній подушці. Для міських електромереж, де потрібне підвищення переданої електричної потужності в обмежених просторово будівельних умовах, розроблені і вже продукуються одно- та трифазні ВТНП-кабелі напругою до 138 кВ.

Важливим також є застосування ВТНП знайдуть в електроенергетиці, наприклад, розроблений і випробуваний у Німеччині за підтримки бундесміністерства освіти та досліджень 10-кіловольтний надпровідний струмообмежувальний реактор (проект CURL 10). Він складається з надпровідної частини, паралельно з якою увімкнено резистор. Вмикається у коло, в якому потрібне обмеження струму короткого замикання (к.з.), послідовно. У нормальному режимі реактор не впливає на струм кола (струм навантаження). Коли виникає к.з., струм к.з. спричинює миттєву втрату надпровідності надпровідної частини реактора, практично розрив його кола, і перехоплюють резистором, внаслідок чого обмежується. CURL 10 було продемонстровано на Ганноверському ярмарку 2005 р.

Такі реактори економлять значні кошти, бо з їх застосуванням вдасться уникнути переведення  мережз на вищі напруги. Очікується, що успішне застосування таких реакторів дасть поштовх для розробки та впровадження у Німеччині інших надпровідних елементів енергосистем, як-от: надпровідні трансформатори чи надпровідні кабельні лінії.

За матерілами Всеукраїнської галузевої газети "Електротема"

http://www.eltema.com.ua/ 

Теги та ключові фрази
надпровідні матеріали, назвати види надпроввідникфв, надпровідник 2015 р., надпровідник електричноі енергіі, застосування надпровідників в електоенергії, надпровідники 1 і 2 типу, синхронні машини з надпровідниками, Надпровідники І типу, купити надпровідники, надпровідні лінії
Більше статей за тегами


Поділіться цією інформацією в соцмережах, дякуємо за популяризацію порталу:
Також Ви можете:

Додати до закладок Підписатись Версія для друку




Інші статті
17.11.2010р.

Електричні щити 2

Електричний щит - це початок всієї електричної частини будівлі, і не важливо, що це - величезний завод у мегаполісі або скромний будиночок у селі. Скрізь є електричні щити

18.08.2010р.

Пристрій для плавного пуску електродвигуна

Одним із самих головних недоліків асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором є наявність у них великих пускових струмів. І якщо теоретично методи їх зниження були добре розроблені вже досить давно, то ось практично всі ці розробки застосовувалися дуже в рідкісних випадках

Більше статей за тегами
При використанні матеріалів посилання на www.proelectro.info (для інтернет ресурсів з гіперссилкою) обов'язкове.