Билет № 27. Сверхпроводимость. Классификация сверхпроводников и практическое применение явления сверхпроводимости.

В 1911 г. голландский ученый Хейке Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление кольца из замороженной ртути охлажденного до температуры кипения гелия (4,2 K) внезапно падает практически до нуля. Это исчезновение электрического сопротивления, то есть появление бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью. Температура, при которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводящего перехода Т_с.

Явление сверхпроводимости можно объяснить уменьшением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки при снижении температуры. Вследствие этого уменьшается вероятность столкновения дрейфующих под действием электрического поля электронов с ионами решётки и величина сопротивления проводника уменьшается.

В 1933 г. немецкие фи­зики В. Майснер и Р. Оксенфельд сделали новое фундаментальное откры­тие: они обнаружили, что сверхпроводники при пе­реходе из нормального в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнит­ное поле не может проникать в сверхпроводящее тело (рис. 6.7), что заставляет сверхпроводящее тело висеть над поверхностью маг­нита (эффект Майснера).

а) б)

Рис. 6.7 Эффект Майснера: а — охлаждаемый шар из сверхпроводника в нормальном состоянии, помещенный в равномер­ное магнитное поле В; б — при переходе материа­ла шара из нормального состояния в сверхпро­водящее магнитное поле выталкивается из шара

Первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В_с (в первом приближении, по крайней мере верно для чистых сверхпроводни­ковых металлов, безразлично, создается ли индукция В_с током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис. 6.8. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с. Наибольшая возможная температура перехода Т_с0 (критическая температура) при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводни­кового электромагнита - при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина. Заштрихованная об­ласть 0PQ на рис. 6.8 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой PQ — нормальному состоя­нию материала.

Рис. 6.8 Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника

Все известные в настоящий момент сверхпроводники можно условно разделить на следующие группы (см. рис. 6.9):

- низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с температурой сверхпроводящего перехода Т_с лежащей в области температур жидкого гелия (4,2 К) - NbTi, Nb₃Sn;

- промежу­точные сверхпроводники (MgB₂, pniktides - совсем недавно открытые арсениды железа) Т_с которых лежит в области температур жидкого водорода (20 К);

- высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с Т_с лежащей в области температур жидкого азота (77К) - Bi-2223, Bi-2212; ReBCO.

Высокотемхпературные сверхпроводники (ВТСП) бывают двух типов (см. рис. 6.10): ВТСП первого поколения (технология порошок в трубе) и ВТСП второго поколения (длинномерные пленки).

ВТСП первого поколения срав­нительно просты в изготовлении и имеют достаточно высокие критические параме­тры Т_с0 и В_с0. Но в силу ряда технологических тре­бований их матрица (заполнение, в котором размещается сверхпроводящий порошок) должна выполняться только из серебра или его сплавов, причём доля серебра в сечении составляет поряд­ка 50-70%. Естественно, такой сверхпроводник нельзя сделать достаточно дешёвым, на­пример, в сравнении с медью. Стоимость их в удельных единицах составляет примерно 100-150 долл. за 1 кА∙м. Поэтому их производство свёрнуто практически во всём мире в пользу ВТСП вто­рого поколения, которые считаются более перспективными. Однако компания Сумитомо Электрик в Японии продолжает про­изводить сверхпроводник первого поколе­ния на основе висмутовой системы Bi-2223, который пока по многим параметрам, в том числе и по цене, превосходит современные ВТСП второго поколения.

В ВТСП второго поколения стоимость материала сравнительно невелика, но технология в настоящее время настоль­ко сложна, что их цена пока в три-пять раз превышает стоимость ВТСП первого поко­ления. Разумеется, при увеличении мас­штабов производства стоимость таких про­водников должна значительно снизиться и достичь уровня 10-20 долл. за 1 кА∙м, что сравнимо со стоимостью меди.

В настоящее время единственное ком­мерчески успешное применение низкотемпературной сверхпро­водимости - производство медицинских магнитно-резонансных томографов - сканнеров (МРТ). Первые томографы были со­зданы в конце 70-х гг. прошлого века в ком­пании Oxford Instrument. Стандарт­ными полями в сверхпроводящих МРТ являются поля в 1-1.5 Тл, но уже широ­ко начали производиться МРТ с полями в 3 Тл. Помимо стандартных томографов ши­рокого профиля идут разработки специ­альных МРТ с высокими магнитными по­лями (до 11 Тл) для исследования про­цессов в человеческом мозге в реальном времени.

Так-же можно вспомнить про сверхпроводящие магниты для исследований в биологии методом маг­нитно-резонансной спектроскопии. В этом случае требуются постоянные, высокоод­нородные и стабильные магнитные поля порядка 20 Тл и выше. Компания Брукер (Германия) создала на основе низкотемпературных сверхпроводников рекордный сверхпроводящий магнит с полем в 23.3 Тл для ЯМР-спектрометра. Однако рынок таких устройств невелик.

Рис. 6.9 История открытия сверхпроводников и их условное разделение

Рис. 6.10 Современные высокотемпературные сверхпроводники: а) – первого поколения Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (Bi-2223) или Bi2Sr2CaCu2Os (Bi-2212); Tc ~ 90-110 К; Ic = 80-200 A (4 x 0.4 мм2) при 77 К, B = 0 Тл; б) – второго поколения ReBCO - ReBa2Cu3Oy, где Re: (Y, Sm, Gd, Dy, Eu); Tc = 92 K; Ic = 80-200 A (4 x 0.1 мм2) при 77 К, B = 0 Тл.

Наиболее впечатляющими достижения­ми крупномасштабного применения сверхпроводимости являются так называемые «мегапроекты». Чаще всего целью мегапроектов явля­лось создание мощных ускорителей эле­ментарных частиц для физики высоких энергий и детекторов для них. Cамым крупным из них является Большой Адронный Коллайдер (БАК) в Европейском центре ядер­ных исследований. Для удержания, коррекции и фокусиров­ки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты ра­ботают при температуре 1.9 K.

И, наконец, использование сверхпрово­дящих низкотемпературных магнитов по­зволит впервые осуществить управляемую термоядерную реакцию в устройстве типа Токамак, при этом потребляемая устрой­ством энергия будет меньше получаемой в результате управляемого термоядерно­го синтеза. В мире уже было построено несколько токамаков с использованием сверхпроводящих магнитов: первый в мире сверхпроводящий токамак Т-7 в Курчатов­ском институте и там же токамак Т-15, французский токамак ТорСупра и другие. Они позволили отработать технологии сверхпроводящих катушек для токамаков и привели к организации крупнейшего меж­дународного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, в котором Россия принимает активнейшее участие. В магнитной системе ИТЭР ис­пользуется около 600 т сверхпроводни­ка Nb₃Sn и примерно столько же NbTi.

Следует, однако, отметить, что возмож­ности низкотемпературных сверхпровод­ников для повышения магнитных полей исчерпаны полностью. Дальнейшее увели­чение магнитного поля, получаемого с по­мощью сверхпроводимости, может быть достигнуто только за счёт высокотемпе­ратурных сверхпроводников охлажденных до температуры жидкого гелия.

Использование сверхпроводимости в электроэнергетике также является перспективным направлением. Прежде всего речь идет о ВТСП кабелях позволяющих в разы увеличить передаваемую мощность (плотность тока в обычных кабелях 1-2 А/мм², в ВТСП кабелях она может составлять 50-100 А/мм²) и отказаться от преобразовательных подстанций (не надо повышать напряжение у генератора и понижать у потребителя).

Кроме того активно разрабатываются ВТСП устройства, ограничивающие токи короткого замыкания до допустимого уровня (сверхпроводящие ограничители токов).

Еще одним направлением являются НТСП накопители энергии, позволяющие сглаживать утренние и вечерние максимумы мощности.

На основе эффекта Майснера созданы несколько транспортных систем, использующую магнитную левитацию (маглев) для минимизации трения и достижения высоких скоростей. Максимальная скорость маглева была зафиксирована в Японии в 2003 и составила 581 км/ч. На начало 2017 года единственным в мире поездом на магнитной подушке, находящимся в коммерческой эксплуатации, является шанхайский маглев.