Доповідь - Використання надпровідникових матеріалів в електротехніці (укр)

Подождите немного. Документ загружается.

Міністерство освіти і науки України

Черкаський державний технологічний університет

Кафедра електротехнічних систем

Доповідь

На тему: ”Використання надпровідникових матеріалів в електротехніці”

Перевірив викладач Виконав студент

Ключка К.Н. гр..ЕСЕ-76

Бугай Д.К.

Черкаси 2009р.

Зміст:

1.Вступ

2.Передумови відкриття

3.Відкриття надпровідності Камерлінг-Оннесом

4.Подальший розвиток

5.Властивості надпровідників

6.Застосування і використання надпровідників

6.1Використання надпровідників в електромагнітах

6.2Швидкісні потяги на магнетних підвісках

6.3Використання надпровідників в трансформаторах

6.4Використання надпровідників в обмежувачах струму

7.Теорії надпровідності

8.Теорія БКШ

9. Поведінка надпровідників в зовнішніх магнітних полях

10. Магнітне поле в надпровіднику показало небачені властивості

11.Висновок

12.Використана література

Вступ

Відкриття у 1986 році високотемпературної надпровідності та нового класу

металооксидних надпровідників дало потужний поштовх дослідженням в цій

області. Досягнуте в 1987 році підвищення критичної температури до Т>90К

створило принципово нові можливості для надпровідникової електроніки.

Практичне використання надпровідників для створення НВЧ пристроїв

дозволяє одержувати унікальні показники характеристики

(добротності,чутливості, швидкодії,затухання та інших), які не можливо

отримати при використанні звичайних металевих провідниів.

Для успішного дослідження високотемпературних (ВТНП)

матеріалів,особливо при відсутності задовільних теоретичних моделей

процесів,що в них відбуваються, велике значення має створення по

можливості більш точних методів і засобів вимірювання їх характеристичних

параметрів,із яких одним з основних являється поверхневий імпеданс на

НВЧ. Його активна компонента характеризує співвідношення спарених і

одиничних носіїв заряду , а уявна компонента – глибину проникнення

магнітного поля в ВТНП , а значить , довжину корреляції і вільного пробігу

спарених електронів. Визначення абсолютної величини опору має велике

значення для створення технології виробництва високоякісних плівок ВТНП.

Величина поверхневого опору, як інтегральна характеристика матеріалу

дозволяє отримати відомості про наявність в цій плівці дефектів та визначити

їх тип і концентрацію. Особливо це прояляється при застосуванні потужних

магнітних полів порядку десятків кілоерстед.Із можливих методів

вимірювання поверхневого імпедансу найменшу похибку мають резонансні

методи, оскільки вони побудовані на основі вимірювань частоти і фази,

похибка в визначенні яких значно менша, ніж при амплітудних

вимірюваннях. Розвиток багатьох важливих напрямків сучасної фізики,

техніки й технології виявився неможливим без проникнення у світ низьких та

наднизьких температур, а також у природу незвичайних явищ, які

відбуваються при глибокому та надглибокому охолодженні. Завдяки тому,

що тепловий рух атомів "вимерзає" й термічна енергія стає все меншою при

зниженні температури, електронні й квантові властивості стають

домінуючими у конденсованому стані. Саме це дає змогу спостерігати,

вивчати й застосовувати унікальні макроскопічні квантові явища

надпровідність і надплинність. Надпровідність як і кріоелектроніка, тобто

електроніка з використанням низьких температур обіцяють стати галузями

сучасної техніки й технології, що найбільш бурхливо розвиваються у

третьому тисячолітті.Показано стабілізацію надпровідної фази, зменшення

електромагнітних втрат і збільшення критичного струму на основі

вимірювань магнітної сприйнятливості на змінному струмі і температурних

залежностей електроопору.

Надпровідність (англ. superconductivity, нім. die Supraleitung,рос.

сверхпроводимость) — квантове явище протікання електричного струму у

твердому тілі без втрат. Явище надпровідності було відкрито в 1911 році

голландським науковцем Камерлінґ-Оннесом (нід. Heike Kamerlingh Onnes),

лауреатом Нобелівської премії 1913 року. Усього за відкриття в області

надпровідності було видано п'ять Нобелівських премій з фізики: в 1913, 1972,

1973, 1987 та 2003 роках.

Передумови відкриття

Середина XIX-го століття і його кінець відзначились освоєнням області

наднизьких температур. Досліджуючи явища, що відбуваються в газах,

фізики ввели поняття «абсолютний нуль» температури. Підрахувавши, до

якої від'ємної температури треба охолодити газ, щоб в ньому зупинився будь-

який тепловий рух молекул, вони отримали, що ця температура повинна бути

−273,15 °C. Пізніше поняття абсолютного нуля розповсюдилось на всі стани

речовини: тверді та рідкі.

Будь-яке охолодження речовини — це відбір у нього енергії. При

охолодженні енергії у тіла залишається дедалі менше, а отже знижується

його температура, яка є мірилом кінетичної енергії руху атомів. При цьому

уповільнюється рух частинок, що складають тіло: зменшується амплітуда

коливань атомів, молекул, зменшується швидкість руху молекул (в рідинах

та газах) та вільних електронів (в металах та напівпровідниках). Останні

приєднуються до іонізованих позитивних атомів. Вважалося, що при

досягненні абсолютного нуля вся можлива енергія відібрана у речовини і

більше енергії відібрати не можна. При цьому будь-який рух в тілі

припиняється (за виключенням обертання електронів навколо ядра в атомі).

Іншими словами, при −273 °C молекули і атоми речовини мають найменшу

енергію, яка вже не може бути відібрана у тіла жодним охолодженням.

Дослідження властивостей тіл при температурах, близьких до абсолютного

нуля, (кріогенних температурах) зацікавили вчених дуже давно. Наука, що

вивчає цю галузь, називається кріогенікою. Шлях до кріогенних температур

лежить через скраплення газів. Скраплений газ при випаровуванні відбирає

енергію у тіла, яке занурене в цей газ, оскільки для відриву молекул від

рідини потрібна енергія. Подібні процеси відбуваються в побутових

холодильниках, де скраплений газ фреон випаровується в морозильнику. В

кінці XIX століття, на початку XX століття вже були скраплені багато газів:

кисень, азот, водень. Довгий час не піддавався скрапленню гелій, при цьому

очікувалось, що він допоможе досягти найнижчої температури. Успіху в

скрапленні гелію досяг Камерлінг-Оннес, який працював в Лейденському

університеті (Голландія). Скраплений гелій дозволив досягти рекордно

низької температури — близько 4 К. Отримавши рідкий гелій, Камерлінг-

Оннес почав займатись вивченням властивостей різних матеріалів при

гелієвих температурах. Одним із запитань, які цікавили вченого, було

вивчення опору металів при наднизьких температурах. Було відомо, що з

ростом температури R зростає. Отже, можна очікувати, що із зменшенням

температури R буде зменшуватись. А от до якої межі?

Тут могло б бути три варіанти:

1. При абсолютному нулі R→0. Дійсно, струм — це потік електронів, що

проходить через кристалічну ґратку провідника. При ненульових

температурах атоми в ґратці здійснюють коливання навколо центру

рівноваги, між вільними електронами та атомами відбувається

зіткнення (розсіювання). Звернемо увагу на два наслідки такого

зіткнення. По-перше, електрони втрачають свою енергію, отриману від

електричного поля джерела ЕРС. По-друге, вони відхиляються від

початкового напрямку. Ці два наслідки відображаються в зменшенні

струму, тобто в виникненні опору. При зниженні температури

амплітуда коливань атомів зменшується, а значить, зменшується і

ймовірність розсіювання на них електронів, тобто падає опір. Така

модель довгий час задовольняла фізиків і якби залежність R(Т) пішла б

по цьому варіанту, то це сприйнялося б із розумінням.

2. Однак критики попередньої теорії звертали увагу на те, що опір R

обумовлений зіткненням електронів не тільки з атомами, що

коливаються. Електрони з успіхом можуть розсіюватися і на нерухомих

атомах. Тобто. розсіювання зменшиться, але зовсім не зникне, тому R ≠

0. Крім того існує можливість розсіювання електронів на дефектах

ґраток.

3. Третій варіант: електрони «заморожуються» на атомних орбітах.

Електронів провідності не залишається, R зростає до ∞.

Як бачимо, теоретично можна допустити різні варіанти, але дійсність, як

часто буває, суперечить планам і теоріям.

Відкриття надпровідності Камерлінґ-Оннесом

Експериментуючи зі ртуттю Камерлінг-Оннес довів її до замерзання і

продовжив знижувати температуру. При досягненні Т = 4,2°К прилад

перестав фіксувати опір. Оннес міняв прилади в дослідній установці,

оскільки побоювався їхньої несправності, але прилади незмінно показували

нульовий опір, незважаючи на те, що до абсолютного нуля не вистачало ще 4

К.Якщо в замкнутому контурі, що знаходиться в надпровідному стані

створити електричний струм, то він буде протікати тижні й навіть роки, не

зменшуючись. Після відкриття надпровідності в ртуті з'явилась велика

кількість запитань:

 чи надпровідність властива ртуті й іншим матеріалам?t;

 опір знижується до нуля або ж він настільки малий, що прилади, які

існують, не можуть його виміряти, і багато інших.

Оннес запропонував оригінальний дослід непрямого визначення, до якого

рівня знижується опір. В надпровідному колі збуджувався електричний

струм, який, як було встановлено за відхиленням магнітної стрілки, не згасав

багато років. За розрахунками питомий опір надпровідника дорівнював

близько 10-25 Ом*м. Порівнюючи отримане значення з питомим опором міді

— ρ Cu =1.5 ۰ 10-8 Ом*м, видно, що питомий опір надпровідника на 17

порядків менший, тому можна вважати, що опір надпровідника дорівнює 0.

Подальший розвиток

Після відкриття Камерлінґ-Оннеса надпровідність було встановлено в

інших матеріалах та сплавах. Важливим наріжним каменем в дослідженні

властивостей надпровідників було відкриття ідеального діамагнетизму

надпровідників (або виштовхування зовнішнього магнітного поля з

надпровідника), відомого як ефект Мейснера-Оксенфельда в 1933 році. В

1935 році брати Фріц та Хайнц Лондони запропонували першу теорію

надпровідності, яка хоча й була повністю феноменологічною, проте

пояснювала ефект Мейснера-Оксенфельда. Наступним кроком була

запропонована в 1950 році Гінзбургом та Ландау Лев Давидович нова

феноменологічна теорія, яка вперше враховувала квантово-механічну

природу явища. В межах цієї теорії Олексієм Абрикосовим в 1957 році було

передбачено існування надпровідників II роду. В тому ж році Бардін, Купер

та Шрифер опублікували роботу, в якій дали мікроскопічне пояснення явища

надпровідності, яке одержало назву Теорії Бардіна-Купера-Шрифера.

Властивості надпровідників

Надпровідність характеризується абсолютним діамагнетизмом. У

магнітному полі в надпровідному матеріалі виникають такі струми, магнітне

поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле

виштовхується із надпровідника. Завдяки цій власності виникає явище, яке

отримало назву гріб Магомета - левітація магнітна над надпровідником (або

надпровідника над магнітом). Сильне магнітне поле руйнує надпровідність.

Проте надпровідники розрізняються за своєю поведінкою у відносно сильних

магнітних полях, у залежності від поверхневої енергії границі розділу

надпровідної й нормальної фаз. У надпровідників I роду ця поверхнева

енергія додатня, й надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний

рівень, який називається критичним магнітним полем. У надпровідників II

роду поверхнева енергія границі розділу нормальної та надпровідної фаз

від'ємна, тож магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне

значення (воно називається першим критичним полем), починає проникати в

надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові

струми. Якщо збільшувати магнітне поле далі, то нормальних областей стає

дедалі більше, й при критичному полі надпровідність руйнується повністю.

Надпровідники другого роду використовуються для створення надпровідних

електромагнітів.

Використання і застосування надпровідників

Використання надпровідників в електромагнітах

У надпров.дних соленоїдах можна створювати магнетні

поля понад 200000

ерстедів.Якщо порівняти надпровідні електромагнети з

подібними звичайними

електромагнетами з точки зору енергозатрат, то маємо

виграш приблизно 1000

разів.Для досвідченого електротехніка наведені вище дві

цифри вражаючі.

Сучасний надпровідний електромагнет - це чудо техніки!

"Заганяєш" у його

обмотку струм і можеш відразу зняти напругу. Магнетне поле

не

зменшуватиметься, бо ж струм не згасає. Отже, магнет

працює без енергозатрат

Рисунок:Основні елементи конструкції надпровідного

електромагнету: 1 -

під'єднаний до зовнішнього кола; 2 - надпровідник; 3 -

робочий об'єм

електромагнету; 4 - текстолєтовий диск для монтажу

електричних контактів та

закріплення магнету в кріостаті; 5 - металевий каркас

соленоїда; 6 - надпровідна

обмотка; 7 - силовий бандаж обмотки; 8 - ізоляційні

прокладки поміж шарами

обмотки

При створенні сильних надпровідних електромагнетів

виникають чималі

інженерні труднощі. Найголовніша з них пов'язана із

запобіганням деформації

обмотки соленоїда магнетним полем у результати дії т. зв.

сили Ампера (дія

магнетного поля на провідник зі струмом. Доводиться

спеціально скріплювати

конструкцію особливо міцними розпорками та прокладками, а

всю обмотку

поміщати у зовнішній каркас із нержавіючої сталі.

Швидкісні потяги на магнетних підвісках

Неважко підрахувати, що у магнетному полі з індукцією 1Тл

підіймальна сила

може досягти 4-Ю5 Н/м2, що приблизно дорівнює тискові

повітря у колесах

автобуса. Поле можна збільшити ще у декілька разів.

Відчуваєте, який вантаж

можна підвісити зверху надпровідної магнетної опори! Це

можна використати на транспорті, при створенні

ультрацентрифу. без тертя.Принцип надпровідної магнетної

підвіски уже давно зреалізований на залізничному транспорті

(експериментальні ділянки) у декількох промислово-

розвинених країнах. Вагон, рухаючись без коліс (отже, без

основного тертя -окрім опору повітря), може набувати

великої швидкості (сотн. км/год).Магнетне поле, яке

створюють вмонтовані під долівкою вагона надпровідні

електромагнети, відштовхує їх від металевої колії спеціальної

конструкції (згадаймо дослід магнетної левітації), в котрій

наводиться "струмова хвиля",керована комп'ютером. Ця

струмова хвиля мчить перед вагоном і попід ним.Отже,

взаімодія струму з магнетним полем забезпечує одночасно

тягу та підвіс вагона .

Використання надпровідників в трансформаторах

Заміна мідних котушок звичайного трансформатора ВТНП

провідниками

забезпечує наступні переваги:

а ) розмір і вага ( при однакових потужностях ВТНП

трансформатора

забезпечує зниження розмірів і ваги приблизно 40-60%.Це

зменшує вартість

виготовлення транспортування, встановлення , а також

більшу гнучкість у

встановленні через менші потреби в розмірах приміщення.

б ) тривалий час експлуатації (робота при Т=const означає

відсутність

термоциклювання і відповідно електричне і механічне

зношування: крім цього

значні перевантаження також не впливають на час

експлуатації

трансформатора)

в ) більша ефективність ( втрати енергії значно знижуються

за рахунок

зменшення резистивних втрат в обмотках і за рахунок

зменшення розмірів

осердя. Загальна ефективність в значній мірі залежить від

конструкції)

г ) вплив на зовнішнє середовище ( дешевий екологічно

безпечний рідкий азот

замінює трансформаторне масло як діалектрик і служить

одночасно холодо-

носієм і Зріджений азот і безпечним , не горючим , тому не є

потенційним

джерелом аварійний ситуацій)

д ) властивості ВТНП забезпечує автоматичне регулювання

величини струму.

Використання надпровідників в обмежувачах струму

Обмежувачі струму (FCL) – пристрої які використовують

надпровідники для миттєвого обмеження різкого зростання

струму. Таких обмежувачів струму які б готувалися на

традиційних технологіях не існує. іноді для подібної мети

використовували великі мідні котушки які називалися

лінійними реакторами, проте вони надто громісткі і

неефективні.Лише надпровідники володіють унікальними

властивостями які дозволили їм миттєво реагувати на дію

струму, передавати енергію втрат вздовж лінії,обмежуючи

лише різкі стрибки струму.

Використовуння надпровідникових обмежувачів струму

забезпечує низку

переваг:

а ) Надійність FCL і посилиними пристроями які не

потребують зовнішнього

вимірювання величини струму для регулювання.

б ) Економічний ефект FCL може зменшувати збільшення

струму до 3-5 разів,це значно зменшує капіталовклад на

технічне обслуговування інфратехнічної структури за рахунок

зменшення втрат на ремонтну заміну електричних вузлів.

в ) Доступність в порівнянні з лінійними трансформаторами

FCL і значно

доступнішим в процесі виготовлення транспортування ,

встановлення і

технічного обслуговування.

г ) Покращення якості електроенергії на відміну від

звичайних лінійних

реакторів, FCL не вносить значної ефективної складової і

споживаної енергії.

д ) Низькі втрати електронів.

Теорії надпровідності

Явище надпровідності — макроскопічне (видиме) проявлення квантової

природи речовини: атомів та електронів. Відомо, що електрони в атомі

можуть перебувати тільки в певних станах, яким відповідають дискретне

значення енергії. Таким чином атом може поглинати і випромінювати

енергію певними порціями — квантами. Однак, якщо ми перейти до

макроскопічного тіла, де концентрація електронів перевищує 1022 см-3, то

квантовий характер зміни енергії кожного електрону «змазується» великою

кількістю таких електронів, що поглинають або випромінюють енергію, і ми

бачимо суцільний спектр поглинання або випромінювання енергії

макроскопічними тілами.

Теорія БКШ

Фізики напружено працювали над створенням теорії надпровідності і

приблизно за 50 років з 1911 до 1957 року загальні риси теорії були

сформовані. Спочатку, в 50-х роках виникла феноменологічна теорія

надпровідності (див. рівняння Гінзбурга-Ландау), яка успішно пояснювала

поведінку надпровідників у магнітних полях, а в 1957 році Джон Бардін,

Леон Ніл Купер й Джон Роберт Шріффер запропонували мікроскопічну

теорію надпровідності, за яку в 1972 році одержали Нобелівську премію.