Физическа дефиниция на свръхпроводимост, приложения в енергетиката, предизвикателства и ключови фигури

ДА ЗАПОМНЯ
  • В свръхпроводник електрическото съпротивление се отменя много внезапно при много ниски температури. След това материалът провежда тока перфектно без загуба на енергия.
  • Магнитните полета са силно засегнати в свръхпроводниците. Те позволяват, наред с други неща, да левитират влакове, включително най-бързите в света в Япония.
  • Свръхпроводимостта обаче се прилага главно днес за слаби токове, тоест за приложения за обработка на информация.
  • Понастоящем изследователите работят, за да намерят обяснение за свръхпроводимостта на "най-горещите" елементи (тази "висока температура" остава под -135 ° C).
Обобщение
  • Определение и категории
  • Физически обяснения
  • Приложения
  • Ключови фигури
  • Минало
  • Залози и бъдеще

Свръхпроводимостта се отнася до свойството на определени материали да провеждат електрически ток перфектно (без никакво съпротивление) чрез генериране на силни магнитни полета. Това физическо явление се достига само при много ниски температури, близки до абсолютната нула (- 273,15 ° C).

свръхпроводимост

По този начин свръхпроводящите материали позволяват да се разпространяват значителни електрически токове ("силни токове"), но също така и много големи информационни потоци ("слаби токове") без разсейване на енергията. В тези материали можем също да съхраняваме електричество без дългосрочни загуби и да използваме интензивните магнитни полета, които ги заобикалят, за да левитират силни метални заряди и да ги движим без механично триене.

Сложността на охлаждащите технологии при много ниски температури допълнително ограничава приложението на свръхпроводници. Очаква се обаче техническият прогрес частично да намали това ограничение.

Липсата на електрическо съпротивление

В свръхпроводника електрическото съпротивление много внезапно се отменя под температура, наречена "критична температура". След това материалът перфектно провежда тока. Например, електрически ток може да продължи да тече безкрайно в свръхпроводящ пръстен, след като захранването бъде премахнато.

В атомния мащаб, когато материалът стане свръхпроводящ при много ниска температура, неговите електрони (които също са вълни на квантово ниво) се свързват по двойки. След това всички двойки електрони се наслагват един върху друг, за да образуват единична квантова вълна („кондензатът“), която става нечувствителна към дефекти в материала (1), като по този начин елиминира цялото електрическо съпротивление.

Модификацията на магнетизма

Магнитните полета са силно засегнати в свръхпроводника:

  • те могат да се отменят напълно в материала (ефект на Майснер). Този ефект се характеризира в свръхпроводник чрез екстериоризацията на магнитните полета (2);
  • те могат да бъдат замразени в конфигурацията, в която са били, когато са влезли в свръхпроводящо състояние (улавяне на вихри).

Единият или другият от тези ефекти се наблюдава в зависимост от естеството на свръхпроводящия материал. Възможно е да левитира магнит чрез комбиниране на тези ефекти в система: ефектът на Майснер отблъсква магнита от свръхпроводника, докато улавянето на вихрите ще задържи магнита там, където е бил, когато свръхпроводникът е бил охладен. След това магнитът се улавя, без да бъде привлечен.

Електрически транспорт чрез свръхпроводящи кабели

Свръхпроводящ кабел провежда електрическия ток без съпротивление, следователно без загуби (чрез ефект на Джоул). По този начин е възможно да се постигне много по-висок транспортен капацитет от традиционния кабел (фактор 3 до 5). Това прави възможно увеличаването на капацитета на наситена мрежа без строителни работи и без увеличаване на отпечатъка, с изключение на охлаждащите инсталации.

Печалбите от липсата на разсейване на мощността се компенсират от разходите за охлаждане на кабела.

В контекста на увеличаване на електрическата мощност в някои големи мегаполиси, свръхпроводящите кабели са много интересна икономическа алтернатива на разработването на нов резистивен кабел с по-голям капацитет. Неговият нулев термичен подпис осигурява голяма гъвкавост при инсталирането на кабел.

От икономическа гледна точка обаче ползите от неразсейването на мощността са по-големи от разходите за охлаждане на кабела. Свръхпроводимостта на кабелите не е много благоприятна от криогенна гледна точка поради високото съотношение между повърхността и обема. В допълнение, енергийният баланс на свръхпроводящ кабел е по-благоприятен от този на конвенционален кабел само извън определен ток, като се вземат предвид загубите на криостата, който го охлажда. И накрая, имайте предвид, че свръхпроводящият кабел понякога може да понесе ниски загуби, когато е преминат от променлив ток, например при 50 или 60 Hz.

Технологията на свръхпроводящите кабели придоби известна зрялост благодарение на многобройни постижения. Например, компанията Nexans (3) експлоатира от март 2008 г. 600 m свръхпроводящ кабел, носещ най-голямата мощност в света (600 MW) в САЩ (проект LIPA).

Ограничители на тока или "Ограничител на тока на повреда" (FCL)

Свръхпроводящите кабели също могат да помогнат за подобряване на сигурността на електрическата мрежа, като включват ограничител на тока.

FCL може да се сравни с постоянен "супер предпазител", тъй като се регенерира автоматично след спиране на тока.

Ограничител на тока е устройство, което автоматично и естествено ограничава тока веднага щом надвиши предварително определена стойност. Понастоящем токовете не са ограничени, а само се прекъсват от прекъсвачи, причинявайки смущения в предаването на електричество.