Министерство выевшего и средне-специального образования Республики Узбекистан

Пример 3.10. Олово переходит в сверхпроводящее состояние в отсутствии магнитного поля при температуре  =3,7К. При температуре абсолютного нуля (T=0 K) критическое значения магнитной индукции  ==0,031 Тл. Определить максимальное значение тока, при котором оловянный провод диаметром d=0,9 мм при температуре T=2 K сохранит свое сверхпроводящее состояние.
Решение. Олово, как сверхпроводник первого рода теряет состояние сверхпроводимости при повышении температуры и магнитной индукции. Чем выше температура сверхпроводника, тем при меньшей магнитной индукции он потеряет свойство сверхпроводимости.
Подставим численные значения для алюминия в выражение (3.30):  Тл.
Предельный ток при температуре 2К найдем из условия создания критического значения магнитной индукции на поверхности проводника:
 А.
Большинство всœех известных сверхпроводников имеют всœе-таки весьма низкие температуры перехода Т_С. По этой причине устройства, использующие сверхпроводимость, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении составляет примерно 4,2 К), что сложно и дорого в связи с высокой стоимостью и дефицитностью гелия. Для практического использования нужны сверхпроводники, которые могли бы работать при температуре жидкого азота (77,4К или -195,6⁰С).
Работы по созданию таких сверхпроводников в 90-х годах прошлого столетия увенчались успехом, когда усилиями ученых нескольких стран - Швейцарии, СССР, США, Китая и Японии были созданы новые сверхпроводящие материалы с высокими критическими температурами - так называемые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Иногда их называют криогенные сверхпроводники.
Среди ВТСП прежде всœего следует отметить принципиально новый сверхпроводниковый материал – керамику, имеющую температуру перехода в сверхпроводящее состояние выше 30К. Сегодня известно несколько сверхпроводящих керамик: танталовая керамика (Т_С=56К), иттриевая (Т_С=91К), висмутовая (Т_С=115К), таллиевая (Т_С=119К) и ртутная (Т_С=115К). Разработана технология получения текстурированной керамики, которая, при температуре 77К в магнитном поле с индукцией В=1Тл, допускает критическую плотность тока 10⁸ А/м².
Сверхпроводящие керамические системы состоят из сверхпроводящих гранул, допускающих высокую плотность тока. Межгранульное пространство имеет гораздо меньшую допустимую плотность тока и это снижает допустимую плотность тока в керамике. Получение изделий из керамики, имеющих большую длину, является сложной технологической проблемой.
До недавнего времени керамические ВТСП в основном применялись в электронике. При этом сегодня ВТСП уже используются в электрических машинах – синхронных двигателях мощностью несколько сотен киловатт. Лидирующая роль здесь принадлежит ученым России и Германии. Двигатели, использующие ВТСП на базе иттриевых и неодимовых керамик (YBCO и NdBCO), работающие при температуре жидкого азота͵ имеют удельную выходную мощность и энергетические параметры в 2-3 раза лучшие, чем у электрических двигателœей традиционной конструкции [12].
Анализ работы этих керамических ВТСП показал, что если при температуре жидкого азота переход в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами, то сверхпроводник ʼʼзахватываетʼʼ в себя магнитный поток, который как бы ʼʼзамораживаетсяʼʼ в сверхпроводнике, или ʼʼвмерзаетʼʼ в него. При этом по отношению к любым возмущениям магнитного потока, возникающим после перехода ВТСП керамики в сверхпроводящее состояние, она представляет собой идеальный диамагнетик, выталкивающий возмущающие магнитные поля. В первую очередь это относится к магнитным полям, обусловленным реакцией якоря. Следовательно, вредное влияние реакции якоря в этих машинах исключается.
ВТСП из висмутовой керамики предполагается использовать для создания сверхпроводящих кабелœей.
Идея уменьшить сопротивление проводников при низких температурах без перехода их в сверхпроводящее состояние привела к созданию так называемых криопроводников.
Криопроводникаминазывают металлические проводники, удельное сопротивление которых при охлаждении снижается плавно без скачков и которые переходят в состояние, близкое к сверхпроводящему, при температурах, близких к температуре жидкого азота (-395,6 ^оС). Температуры ниже 320К называют криогенными температурами. Соответственно и проводники, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогенных температур, назвали криопроводниками.
Отметим, что несмотря на очень малую величину удельного сопротивления, в сверхпроводящее состояние материал не переходит. Просто при глубоком охлаждении металлического проводника его сопротивление снижается потому, что уменьшаются тепловые колебания кристаллической решетки, а вследствие этого уменьшается рассеяние электронов проводимости на этих колебаниях. Сопротивление криопроводников обусловливается в основном искажениями кристаллической решетки, вызванными наличием примесей и наклепа. По этой причине металлы, используемые в качестве криопроводников должны иметь высокую степень чистоты и быть хорошо отожженными. Вредное влияние примесей и наклёпа на ρ металлов при криогенных температурах сказывается много сильнее, чем при нормальной температуре.
На рис.3.22 представлены температурные зависимости удельного сопротивления для наиболее важных проводниковых металлов - меди, алюминия и бериллия. Из рис.3.22 видно, что при температуре жидкого азота (77,4К) наиболее эффективным криопроводником является бериллий (Be), а при температуре жидкого водорода ( 20,3К)– алюминий и медь. Чаще всœего предпочтение отдают алюминию, поскольку он недорог, высокотехнологичен и имеет низкое удельное сопротивление (при температуре жидкого гелия -269⁰С ρ не превосходит 40∙10^-32Ом).
Явление криопроводимости наряду с явлением сверхпроводимости, достаточно широко используется в современной электротехнике. Криогенная температура более высокая, чем температура сверхпроводникового перехода. В то время как в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается применением более дешевых хладоагентов: жидкого водорода (20,4К) или даже жидкого азота (77,4К); это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства
Весьма малое, но всœе же конечное значение удельного сопротивления ρ криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плотность должна быть намного выше, чем в обычных проводниках при нормальной или повышенной температуре.
Криопроводники могут с успехом использоваться для обмоток электрических машин и трансформаторов с малыми размерами и высоким КПД, для токопроводящих жил кабелœей. Токопроводящие жилы таких кабелœей выполняют из меди или алюминия высокой чистоты. В качестве электроизоляции используется вакуум или синтетические материалы, пропитанные криоагентом. В качестве тепловой изоляции используют многослойную теплоизоляцию. Криогенныеи ЛЭП перспективны для подземной передачи больших мощностей по территории крупных городов, где сооружение воздушных ЛЭП по каким-либо причинам невозможно.
Криопроводники применяют и для сверхпроводящего подвеса (левитации) в гироскопах. Гироскопом называют прибор, имеющий быстровращающийся ротор на карданном подвесе, стремящийся сохранить в пространстве приданное ему первоначальное направление. Гироскопы применяют для управления движением самолетов, судов, торпед и ракет, а также при прокладке штолен и бурении скважин. Якорь криогенного гироскопа, изготовленный из сверхпроводника ʼʼплаваетʼʼ в магнитном поле. Отсутствие опор в подшипниках устраняет трение и повышает долговечность гироскопа. Криопроводники применяют также и для создания магнитов большой мощности для создания магнитной подушки в поездах скоростных желœезных дороᴦ.
В заключение отметим, что использование явления сверхпроводимости в промышленности и на транспорте открывает новые не доступные ранее возможности. Примером может служить система тягового электроснабжения постоянного тока с использованием сверхпроводящего кабеля.
Известно, что система постоянного тока за счёт низкого напряжения характеризуется потреблением больших токов. Это требует повышенных сечений контактных и усиливающих проводов, что трудно выполнимо при реальной несущей способности опор.
Размещено на реф.рф
Вместе с тем, при возрастающей пропускной способности дорог, для обеспечения нормируемого минимального напряжения в контактной сети приходится сокращать расстояния между подстанциями. В случае если расстояние между подстанциями на желœезных дорогах, электрифицированных на переменном токе составляет 40-50км, то на желœезных дорогах, электрифицированных на постоянном токе оно равно 12-15км, а при большом грузопотоке сокращается до 6-8км. Естественно, что при этом возрастает и число подстанций. По этой причине такое решение обходится очень дорого.

Рис.3.22. Зависимость удельного электрического сопротивления
При этом, в случае если для снижения потерь энергии в тяговой сети и увеличения расстояния между тяговыми подстанциями на желœезных дорогах постоянного тока в качестве усиливающих проводов использовать сверхпроводящие кабельные линии (СПКЛ), то электрификация желœезных дорог на постоянном токе снова получает право на жизнь. Сверхпроводящие кабельные линии обладают практически неограниченной токонесущей способностью. Это эквивалентно подключению параллельно проводам контактной сети усиливающих проводов бесконечно большого сечения, что при использовании обычных не сверхпроводящих материалов невыполнимо. За счёт применения СПКЛ резко снижаются потери энергии в тяговой сети и потери напряжения в контактной сети до ЭПС, существенно улучшаются условия защиты от токов короткого замыкания.