Перекачка флюса

Накачка потоком — это метод намагничивания сверхпроводников в полях силой более 15 Тл . Этот метод может быть применен к любому сверхпроводнику типа II и использует фундаментальное свойство сверхпроводников, а именно их способность выдерживать и поддерживать токи в масштабе длины сверхпроводника . Обычные магнитные материалы намагничены на молекулярном уровне, а это означает, что сверхпроводники могут поддерживать плотность потока на несколько порядков большую, чем обычные материалы. Накачка магнитного потока особенно важна, если принять во внимание, что все другие методы намагничивания сверхпроводников требуют применения плотности магнитного потока, по крайней мере, такой же высокой, как конечное требуемое поле. Это не относится к накачке флюса.

Электрический ток , текущий по петле из сверхпроводящего провода, может сохраняться неопределенно долго без источника питания. В обычном проводнике электрический ток можно представить как жидкость электронов , движущихся по тяжелой ионной решетке. Электроны постоянно сталкиваются с ионами в решетке, и во время каждого столкновения некоторая часть энергии, переносимой током, поглощается решеткой и преобразуется в тепло , которое, по сути, представляет собой колебательную кинетическую энергию ионов решетки. В результате энергия, переносимая током, постоянно рассеивается. Это явление электрического сопротивления .

Иная ситуация в сверхпроводнике. В обычном сверхпроводнике электронная жидкость не может быть разделена на отдельные электроны. Вместо этого он состоит из связанных пар электронов, известных как куперовские пары . Это спаривание вызвано силой притяжения между электронами в результате обмена фононами . Согласно квантовой механике , энергетический спектр этой жидкости куперовской пары обладает энергетической щелью , а это означает, что существует минимальное количество энергии Δ E , которое необходимо передать, чтобы возбудить жидкость. Следовательно, если ΔE больше тепловой энергии решетки, определяемой kT , где k — постоянная Больцмана , а T — температура , жидкость не будет рассеиваться решеткой. Таким образом, жидкость куперовской пары является сверхтекучей , то есть она может течь без рассеивания энергии.

В классе сверхпроводников, известном как сверхпроводники типа II , включая все известные высокотемпературные сверхпроводники , чрезвычайно малое сопротивление появляется при температурах, не намного ниже номинального сверхпроводящего перехода, когда электрический ток прикладывается в сочетании с сильным магнитным полем. что может быть вызвано электрическим током. Это происходит из-за движения вихрей в электронной сверхтекучей жидкости, рассеивающей часть энергии, переносимой током. Если ток достаточно мал, то вихри стационарны и удельное сопротивление исчезает. Сопротивление, обусловленное этим эффектом, ничтожно по сравнению с сопротивлением несверхпроводящих материалов, но его необходимо учитывать в чувствительных экспериментах.

Введение

В описанном здесь методе магнитное поле распространяется по сверхпроводнику в виде магнитной волны. Это поле индуцирует ток в соответствии с законом индукции Фарадея . Пока направление движения магнитной волны постоянно, индуцируемый ток всегда будет одинаковым, и последующие волны будут индуцировать все больший и больший ток .

Традиционно магнитная волна генерируется либо путем физического перемещения магнита , либо путем последовательного включения катушек, как это происходит на статоре трехфазного двигателя. Накачка потоком — это твердотельный метод, при котором материал, который меняет магнитное состояние при подходящей температуре магнитного упорядочения, нагревается на его краю, и возникающая тепловая волна создает магнитную волну, которая затем намагничивает сверхпроводник . Сверхпроводящий потоковой насос не следует путать с классическим потоковым насосом, описанным Ван Кландертом и др. обзор.

Описанный здесь метод имеет две уникальные особенности:

• Ни в коем случае сверхпроводник не работает нормально; процедура просто вносит изменения в критическое состояние.
• Критическое состояние модифицируется не движущимся магнитом или группой соленоидов , а тепловым импульсом, который изменяет намагниченность, внося вихри в материал.

Система, как описано, на самом деле представляет собой новый вид теплового двигателя, в котором тепловая энергия преобразуется в магнитную энергию .

Фон

Эффект Мейснера

Основная статья: эффект Мейснера

По поверхности сверхпроводника течет постоянный электрический ток, исключающий магнитное поле магнита. Этот ток эффективно образует электромагнит, который отталкивает магнит.

Когда сверхпроводник помещается в слабое внешнее магнитное поле H , поле проникает в сверхпроводник только на небольшое расстояние λ , называемое глубиной проникновения Лондона , экспоненциально затухая до нуля внутри материала. Это называется эффектом Мейснера и является определяющей характеристикой сверхпроводимости. Для большинства сверхпроводников глубина проникновения Лондона составляет порядка 100 нм.

Эффект Мейсснера иногда путают с тем типом диамагнетизма, который можно ожидать от идеального электрического проводника: согласно закону Ленца , когда к проводнику прикладывается изменяющееся магнитное поле, оно индуцирует в проводнике электрический ток, который создает противоположное магнитное поле. поле. В идеальном проводнике может индуцироваться сколь угодно большой ток, и возникающее магнитное поле точно нейтрализует приложенное поле.

Эффект Мейснера отличается от этого, потому что сверхпроводник вытесняет все магнитные поля, а не только те, которые изменяются. Предположим, у нас есть материал в нормальном состоянии, содержащий постоянное внутреннее магнитное поле. Когда материал охлаждается ниже критической температуры, мы наблюдаем резкое изгнание внутреннего магнитного поля, чего мы не ожидаем, исходя из закона Ленца.

Эффект Мейснера объяснили братья Фриц и Хайнц Лондон , показавшие, что свободная электромагнитная энергия в сверхпроводнике минимизируется при условии, что

$\nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,$

где H — магнитное поле, а λ — глубина проникновения Лондона.

Это уравнение, известное как уравнение Лондона , предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике затухает экспоненциально от любого значения, которым оно обладает на поверхности.

первый коммерческий сверхпроводящий провод сплав ниобия — и титана разработали В 1962 году исследователи из Вестингауза , что позволило создать первые практические сверхпроводящие магниты . В том же году Джозефсон сделал важное теоретическое предсказание о том, что сверхток может течь между двумя частями сверхпроводника, разделенными тонким слоем изолятора. Это явление, теперь называемое эффектом Джозефсона , используется в сверхпроводящих устройствах, таких как СКВИДы . Он используется для наиболее точных доступных измерений кванта магнитного потока. $\Phi _{0}={\frac {h}{2e}}$, и, следовательно (в сочетании с квантовым сопротивлением Холла ) для постоянной Планка h . За эту работу Джозефсон был удостоен Нобелевской премии в 1973 году.

Степенной закон E – J

Самая популярная модель, используемая для описания сверхпроводимости , включает модель критического состояния Бина и ее вариации, такие как модель Кима – Андерсона. Однако модель Бина предполагает нулевое удельное сопротивление и ток всегда индуцируется при критическом токе. Более полезной моделью для инженерных приложений является так называемый степенной закон E–J, в котором поле и ток связаны следующими уравнениями:

$\rho ={\frac {E}{J}}\,$

$\mathbf {E} =\mathbf {E_{0}} *\left({\frac {J}{J_{c}}}\right)^{n}\,$

$\rho (J)={\frac {E_{0}*({\frac {J}{J_{c}}})^{n-1}}{J_{c}}}\,$

В этих уравнениях, если n = 1, проводник имеет линейное удельное сопротивление , такое как медь . Чем выше значение n , тем ближе мы подходим к модели критического состояния. Кроме того, чем выше значение n , тем «лучше» сверхпроводник , поскольку тем ниже удельное сопротивление при определенном токе. Степенной закон E–J можно использовать для описания явления ползучести потока, при котором сверхпроводник со временем постепенно теряет намагниченность . Этот процесс является логарифмическим и поэтому становится все медленнее и медленнее и в конечном итоге приводит к очень стабильным полям.

Теория

Потенциал сверхпроводящих катушек и одиночных доменов YBCO, обработанных в объемном расплаве, для поддержания значительных магнитных полей при криогенных температурах делает их особенно привлекательными для различных инженерных применений, включая сверхпроводящие магниты , магнитные подшипники и двигатели. Уже было показано, что большие поля могут быть получены в объемных однодоменных образцах при температуре 77 К. Существует ряд возможных применений при разработке электродвигателей с высокой удельной мощностью.

Прежде чем такие устройства смогут быть созданы, необходимо решить серьезную проблему. Несмотря на то, что все эти устройства используют сверхпроводник в роли постоянного магнита и даже несмотря на то, что сверхпроводник может улавливать потенциально огромные магнитные поля (более 10 Тл), проблема заключается в индукции магнитных полей, это относится как к объемным, так и к физическим полям. катушки, работающие в постоянном режиме. Существует четыре возможных известных метода:

1. Охлаждение в полевых условиях;
2. Охлаждение в нулевом поле с последующим медленным применением поля;
3. Импульсное намагничивание;
4. Перекачка флюса;

Любой из этих методов можно использовать для намагничивания сверхпроводника , причем это можно делать либо in situ, либо ex situ. В идеале сверхпроводники намагничиваются на месте.

Для этого есть несколько причин: во-первых, если сверхпроводники размагничиваются из-за (i) ползучести магнитного потока, (ii) многократного приложения перпендикулярных полей или (iii) потери охлаждения, то их можно повторно намагничивать без необходимости разборки сверхпроводников. машина. Во-вторых, возникают трудности с обращением с очень сильно намагниченным материалом при криогенных температурах при сборке машины. В-третьих, методы ex situ потребуют сборки машины как в холодном, так и в предварительно намагниченном состоянии, что создаст значительные трудности при проектировании. Пока не удастся получить сверхпроводники при комнатной температуре, наиболее эффективной конструкцией машины будет та, в которую включено устройство намагничивания на месте.

Для первых трех методов требуется соленоид, который можно включать и выключать. В первом методе требуется приложенное магнитное поле, равное требуемому магнитному полю, тогда как для второго и третьего подходов требуются поля как минимум в два раза большие. Последний метод, однако, предлагает значительные преимущества, поскольку он достигает конечного требуемого поля путем многократного приложения небольшого поля и может использовать постоянный магнит.

Если мы хотим создать импульсное поле, используя, скажем, магнит силой 10 Тл для намагничивания образца размером 30 × 10 мм, тогда мы можем определить, насколько большим должен быть соленоид. Если бы можно было намотать соответствующую катушку с помощью ленты YBCO, то, предполагая, что I ^с При токе 70 А и толщине 100 мкм у нас будет 100 витков и 7000 витков. Это создаст поле B примерно 7 000/(20 × 10 ⁻³ ) × 4π × 10 ⁻⁷ = 0,4 Тл. Для получения 10 Тл потребуется подача импульсов до 1400 А! Альтернативным расчетом было бы предположить, что J _c составляет, скажем, 5 × 10. ⁸ Являюсь ⁻¹ и катушка 1 см. ² в поперечном сечении. Тогда поле будет 5 × 10. ⁸ × 10 ⁻² × (2 × 4π × 10 ⁻⁷ ) = 10 Т. Очевидно, что если приспособление для намагничивания не должно занимать больше места, чем сама шайба, тогда потребуется очень высокий ток активации, и любое ограничение делает намагничивание на месте очень трудным. Для намагничивания in situ необходим метод намагничивания, при котором относительно небольшое поле порядка миллитесл, используется для намагничивания сверхпроводника многократно прикладываемое .

Приложения

Основная статья: Технологические применения сверхпроводимости

Сверхпроводящие магниты являются одними из самых мощных известных электромагнитов . Они используются в аппаратах МРТ и ЯМР , масс-спектрометрах , магнитогидродинамических генераторах энергии и магнитах управления лучом, используемых в ускорителях частиц . Их также можно использовать для магнитной сепарации , при которой слабомагнитные частицы извлекаются из фона менее магнитных или немагнитных частиц, как в пигментной промышленности.

Возникают и другие ранние рынки, где относительная эффективность, размеры и вес устройств на основе HTS перевешивают связанные с этим дополнительные затраты.

Многообещающие будущие применения включают в себя высокопроизводительные трансформаторы , устройства накопления энергии , передачу электроэнергии , электродвигатели (например, для приведения транспортных средств в поезда или поезда на магнитной подвеске ), устройства магнитной левитации и ограничители тока повреждения .

Источники

• Кумбс, Тимоти (2008). «Сверхпроводники — новое поколение постоянных магнитов» . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
• Цюлян Ван и др., «Исследование полноволновых сверхпроводящих насосов потока выпрямительного типа», IEEE Transactions on Magnetics, vol. 32, № 4, стр. 2699–2702, июль 1996 г.
• Кумбс, Тимоти (2007). «Новая тепловая машина для намагничивания сверхпроводников» (PDF) . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
• Кумбс, Тимоти ; Хонг, З; Чжу, X (2007). «Сверхпроводящий насос с термическим приводом». Физика C: Сверхпроводимость . 468 (3): 153. Бибкод : 2008PhyC..468..153C . дои : 10.1016/j.physc.2007.11.003 .
• LJM ван де Кландерт и др., «О полностью проводящих выпрямителях и магнитных насосах. Обзор. Часть 2: Режимы коммутации, характеристики и переключатели», Криогеника, стр. 267–277, май 1981 г.
• LJM ван де Кландерт и др., «Полностью сверхпроводящие выпрямители и магнитные насосы. Часть 1: Реализованные методы накачки флюса», Криогеника, стр. 195–206, апрель 1981 г.
• Кляйнерт, Хаген , Калибровочные поля в конденсированном состоянии , Vol. I, « СУПЕРПОТОК И ВИХРЕВЫЕ ЛИНИИ »; Поля беспорядка , Фазовые переходы , стр. 1–742, World Scientific (Сингапур, 1989) ; Мягкая обложка ISBN   9971-5-0210-0 (также можно прочитать онлайн: Том I )
• Ларкин, Анатолий ; Варламов, Андрей, Теория флуктуаций в сверхпроводниках , Oxford University Press, Оксфорд, Великобритания, 2005 ( ISBN   0-19-852815-9 )
• А.Г. Лебедь, изд. (2008). Физика органических сверхпроводников и проводников (1-е изд.). Серия Springer по материаловедению, Vol. 110. ИСБН  9783540766728 .
• Тинкхэм, Майкл (2004). Введение в сверхпроводимость (2-е изд.). Дуврские книги по физике. ISBN  0-486-43503-2 .
• Типлер, Пол; Ллевелин, Ральф (2002). Современная физика (4-е изд.). У. Х. Фриман . ISBN  0-7167-4345-0 .

Внешние ссылки

• Недавние публикации