Superlaidumas_referat
Radioelektronikos katedra
Fizikinės ir funkcinės elektronikos referatas:
Superlaidumas: tyrimai, idėjos, taikymo perspektyvos
Turinys :
1. Įvadas 3
2. Superlaidumo istorija 4
3. Medžiagos 7
4. Superlaidumo pagrindai 11
5. Superlaidumo taikymas 15
6. Naujausi duomenys 20
7. Superlaidumo tyrimai Lietuvoje 21
8. Literatūra 22
Priedas 1 23
Priedas 2 24
1. Įvadas
Dar dvidešimto amžiaus pradžioje, mokslininkai susidūrė su superlaidumu. Tačiau praktiniam fenomeno panaudojimui labai žema temperatūra ,kurioje jis pasireikšdavo, buvo neperžengiamu barjeru. Viskas pasikeitė 1986m. , kai nauja keramikinių superlaidininkų klasė buvo atrasta aukštuose temperatūrose. Taip gimė naujas aukštų temperatūrų superlaidumas (HTS High-Temperature Superconductivity).
Šis darbas skirtas, superlaidumo istorijos, medžiagų, taikymo ssričių bei perspektyvų apžvalgai ir analizei. Darbe trumpai aprašysiu, svarbiausiu superlaidumui, atradimų raidą, problemas su kuriomis susidurią superlaidumo mokslas, medžiagas kuriose pasireiškia superlaidumas bei tam reikalingas sąlygas, pačio superlaidumo fiziką, taikymo sritys ir perspektyvas, naujausius atradimus ir galiausia Lietuvoje daromus tyrimus surištus su HTS.
2. Superlaidumo istorija
Dvidešimto amžiaus pradžioje (1911m.), danų fizikas Heike Kamerlingh Onnes aptiko kad atšaldytame iki labai žemos temperatūros (4 Kelvino) gyvsidabryje, dingo jo varža. Su šiuo atradimu prasidėjo superlaidumo tyrimai.
Sekančių dešimtmečių bėgyje, superlaidumas liko įdomiu moksliniu ffaktu, bet be ryškaus pritaikymo praktikoje. 1960m. buvo pagamintas iš niobio ir alavo pirmas superlaidus laidas. Šis laidas vėliau gaminamas iš niobio ir titano lydinio, inicijavo praktinį superlaidumo pritaikymą.
Paminėtas lydinys, iki šiol naudojamas, priskiriamas prie žemų temperatūrų superlaidininkų. Tokie ssuperlaidininkai turi būti atšaldyti iki 20K (-253C) tam kad taptų superlaidžiais. Jie dabar plačiai naudojami: magnetinio rezonanso atvaizdavimui MRI (Magnetic Resonance Imaging), mašinose ir didelės energijos bei branduolinėje fizikuose. Kitam pritaikymui neperžengiama riba buvo milžiniškos medžiagų atšaldymo išlaidos, surištos su skystuoju heliu, kuris būtinas atšaldymo procese.
Pigaus superlaidumo viltis atsirado po dviejų 1980 – aisiais metais padarytų atradimų. 1986m., du IBM mokslininkai: Alex Müller ir Georg Bednorz, atrado naują superlaidininkų rušį. Priešingai negu žemų temperatūrų superlaidininkai, kurie buvo metaliniai arba pusiau metaliniai, jie buvo keramikiniai ir buvo superlaidus iki pat 35K (238C). Müller ir Bednorz už jų atradimą gavo Nobelio Premiją. Po to 1987m. Paul Chu iš Hiustono Universiteto, atrado mišinį kuris pasižymėjo superlaidumų prie 94K (-179C). Šis atradimas buvo yypač svarbus tuo, kad šią medžiagą galima buvo atšaldyti pigiu ir laisvai prieinamu skystuoju azotu. Keramikinės superlaidžios medžiagos buvo pramintos aukštos temperatūros superlaidininkais HTS (High-Temperature superconductors).
Šiuolaikiniai aukštos temperatūros superlaidininkai vis dažniau iš laboratorijų objekto tampa prekybos objektu. Bismuto pagrindu sudarytos medžiagos, naudojamos superlaidiems laidams bei ritėms gaminti. Iš Talio ir Itrio gaunamos medžiagos, naudojamos kaip superlaidžios dalys elektroniniuose prietaisuose. O 21-me a. superlaidumas žada: superlaidžius variklius, generatorius, energijos kaupimo sistemas, galingus laidus, pakeisti kelią kokiu elektra yra generuojama, perduodama iir naudojama.
Lentelėje nr.1 pateikiu svarbiausius žingsnius ir įvykius surištus su superlaidumu, nuo HTS atradimo iki mūsų laikų.
METAI SVARBIAUSI ĮVYKIAI
1986 HTS superlaidumo atradimas: Lantano-bario-vario-oksidas.
Bednorz & Müller
1987 Itrio-bario-vario-oksido HTS Tc93K
1988 Bismuto-stroncio-kalcio-oksido HTS Tc110K Pirma HTS plona juostelė
1989 Talio-bario-kalcio-vario-oksido HTS Tc125K Pirmas BSCCO/sidabro
HTS laidas
1990 Pradėta HTS ričių gamyba 10-m ilgio BSCCO/sidabro
HTS laidas Pirmas nuolatinės srovės HTS variklis
1991 HTS kintamos įtampos variklis pasiekė 0.03 arklių galę
1992 1-m HTS laidus kabelis Pasaulio rekordas: 2000 A HTS
1993 Pagamintas 100-m ilgio BSCCO/sidabro laidas Pasaulio rekordas: pagaminta
2.5 – teslų HTS ritė Pirmas pasaulyje sinchroninis kintamos srovės variklis (panaudotos HTS ritės 2 arklio jėgos)
1994 1-km ilgio BSCCO/sidabro laidas pernešantis 20kA/
5-arklio jėgų sinchroninis kintamos srovės variklis su HTS ritėmis atšaldytomis iki 77K Laboratorijose sukurti TBCCO laido bandiniai
300kA/
Pademonstruotas
1100A
1 m ilgio
kabelis
1995 Pagaminta elastinga padengta YBCO/IBAD-PLD juosta, praleidžianti plotyje 200 A/cm prie 1miln. A/
Pademonstruotas 2300 A, 1-m ilgio kabelis Pasaulio rekordas: Pademonstruota 3 Teslų ritė Pademonstruotas 2 Teslų šaldytuvo atšaldytas magnetas.
1996 Pademonstruotas 200 arklių jėgų HTS variklis, projektavimo planai viršyti 60 Pademonstruotas 2.4-kV HTS srovės kontroleris, projektavimo planai viršyti 37 Pastatytas 50-m požeminis HTS perdavimo kabelis
1997 Pagaminta metro ilgio YBCO juosta Pademonstruota 100 A/cm – pločio, su e-spinduliu nusodinimu YBCO ant RABiTS
Pademonstruotas
1-MVA vienos fazės HTS transformatorius Pasaulio rekordas:
4-Teslų HTS ritė prie 4.2 K
1998 Pasiektas 1.8MA/ ( metodu) ir
3.0MA/
YBCO/RABiTS-PLD juostoje Sėkmingas 50 m ilgio HTS kabelio testavimas prie 115kV. PPrie 69kV pernešant 3300A nuolatinės srovės, sugebantis pernešti 2000 A kintamą srovę (karštas dielektrikas) Valstijose pagamintų HTS laidų gamyba pasiekia 350 km Pasiekta 1.0MA/
MOCVD technologija
1999 Pramonėje pasiekta 1.9MA/ su MOD (ne vakuume) YBCO juosta ant RABiTS Iš YBCO juostos
(IBAD-PLD): pagamintas segmentas pernešantis 122A/cm -plotyje;
Pasiektas pasaulio rekordas: srovės tankis
42000A/
Testuotas 15kV HTS srovės kontroleris, perdavė 9000 A sudarius defekto sąlygas Pirmas pasaulyje pramoninis (3 fazių 12.5 kV, 1250A) HTS perdavimo kabelis (šaltas dielektrikas)
2000 Pasiekta 1.0MA/
(Ic200A/cm –plotyje) lanksčioje struktūroje sudarytoje iš mažų kainų IBAD, MgO ir PLD YBCO
juostų Išrastas ISD procesas greitam struktūrų šablonų nusodinimui Sukurtas ir testuotas 3 kW
smagratis, elektrinėms sistemoms panaudoti HTS guoliai Pagamintas ir testuotas 1000 arklių jėgų HTS variklis. Paruoštas projektas 5000 arklių jėgų HTS variklis
Legenda:
BSCCO (Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide) Bismuto Stroncio Kalcio Vario Oksidas
HBCCO (Mercury Barium Calcium Copper Oxide) Gyvsidabrio Bario Kalcio Vario Oksidas
HTS (High Temperature Superconductivity) Aukštų Temperatūrų Superlaidumas
Jc – kritinis srovės tankis
K – temperatūra pagal Kelviną
MOD (Metal Organic Deposition) Organinis metalo nusodinimas
PLD (Pulsed Laser Deposition) Nusodinimas Pulsiniu Lazeriu
RABiTS (Rolling – Assisted Biaxially Textured Substrates)
TBCCO (Thallium Barium Calcium Copper Oxide) Talio Bario Kalcio Vario Oksidas
YBCO (Yttrium Barium Copper Oxide) Itrio Bario Vario Oksidas
3. Medžiagos
Superlaidžias medžiagas galime padalinti į dvi grupes. Pirmą grupę sudaro ppagrinde grynį metalai, kurie kambario temperatūroje pasižymi tam tikru laidumu. Reikalaujama labai žema temperatūra tam kad sumažinti molekulines vibracijas pakankamai tam kad galimas butu netrukdomas elektronų lėkis (kaip tai vyksta ir dėl ko aprašysiu sekančiame skyriuje). Pirmo tipo superlaidininkai, dar vadinami minkštais, buvo atrasti pirmi ir reikalauja žemesnės temperatūros tam kad tapti superlaidžiais. Jie pasižymi labai staigiu perėjimu į superlaidumo būseną (pav. 1) ir ”tobulu” diamagnetizmu (savybė atstumti magnetinį lauką).
Pirmame priede pateikiu sąrašą žinomų pirmo tipo superlaidininkų kartu su jų kritinės temperatūros ( ) reikšmėmis. Pažymėtina tai kad varis, auksas ir sidabras – geriausi laidininkai, nepasižymi superlaidumu.
Ne visiems metalams užtenka vien labai žemuos temperatūros, tam kad tapti superlaidžiais, yra tokių kuriems superlaidumą pasiekti būtinas aukštas slėgis. Pavyzdžiui pirmo tipo superlaidininkas Siera turintis didžiausią reikšmę (17K), reikalauja 930000 atmosferų slėgio tam kad tapti superlaidžiu ir 1,6 milijono atmosferų tam kad pasiekti tai prie 17K. Periodinė elementų lentelėje (2 pav.) pažymėti visi žinomi pagrindiniai superlaidininkai (tame ir Niobis, Technecis ir Vanadis kurie yra antro tipo superlaidininkais).
2 pav. Žinomos superlaidžios medžiagos
Išskyrus Vanadį, Technecį ir Niobį, antro tipo superlaidininkai tai metalų junginiai ir lydiniai. Taip pat neseniai atrasti superlaidus ”perovskitai” priklauso antrai superlaidininkų grupei. Perovskitai tai didžiulė grupė kristalinės keramikos, savo
vardą gavo nuo mineralo vadinamo perovskitu, jie labiausiai paplitę mineralai žemėje ir jų metalo – deguonies atomų santykis lygus 2 – 3. Perovskitai turi didesnę nei 1 tipo superlaidininkai, tačiau to priežastys ne iki galo aiškios. Manoma kad tai sąlygoja planarinis sluoksnių pasiskirstymas kristalinėje struktūroje. Naujausi tyrimai teigia kad atsakingos už aukštesnę kritinę temperatūrą, yra teigiamai įkrautos deguonies skylės krūvio rezervuaruose. Superlaidininkuose krūvio rezervuarai – tai sluoksniai kurie gali kontroliuoti oksidacijos lygį gretimuose sluoksniuose (netgi tada kai patys nėra superlaidus). SSuperlaidus Vario – Oksidai yra pasiekę stebėtinai aukštą . Esamu laiku didžiausia kritinė temperatūra, esant normaliam (atmosferiniam) slėgiui, lygi 138 K. Viena iš teorijų (V. Kresin) numato temperatūrinę ribą sluoksniuotiems vario-oksidams apie 200 K. Kiti teigia kad tokios ribos nėra. Bet kuriuo atveju, nauji junginiai (labiau perspektyvus) tarp aukštatemperatūrinių superlaidininkų laukia atradimo.
Šio darbo antrame priede pateiksiu eilę 2-tipo superlaidininkų, kartu su jų kritinių temperatūrų reikšmėmis.
Apart aukščiau aprašytų superlaidininkų grupių, yra dar viena tai Atipiniai Superlaidininkai. Trumpai aptarsiu atipinių superlaidininkų rrūšys.
Pradėsiu nuo junginių paremtų ”Fullerenu” . Šis pavadinimas kilo nuo jo kūrėjo – Buckminster Fuller. Fulerenas dar vadinamas ”buckyball”, egzistuoja molekuliniame lygyje kai 60 anglies atomų jungiasi ir sudaro sferą (3 pav.). Paveikus jį vienu ar keliais šarminiais metalais, ffullerenas tampa fulleridu ir tampa atviras superlaidumui. Superlaidus Fulleridai turi
ruožą nuo 8K ( ) iki 40K ( ).
Organiniai superlaidininkai tai organinių laidininkų šeimos dalis : molekulinės druskos, polimerai ir gryno anglies sistemos. Šios šeimos molekulinės druskos, tai didelės organinės molekulės kurios pasižymi superlaidžiomis savybėmis labai žemų temperatūrų ruože. Todėl jie dažnai vadinami molekuliniais superlaidininkais. Jų egzistavimas buvo įtartas dar 1964 m. tačiau tiktai 1980 m. Klausu Bechgaardu buvo sintezuotas pirmas organinis superlaidininkas . Temperatūrinės organinių superlaidininkų savybės nėra geresnės negu 1 tipo superlaidininkų, tačiau svarbi jų kita savybė: superlaidininkas pasižymi milžinišku atsparumu magnetinio lauko poveikiui iki 6 Teslų (SUNY, 1997 m.). Paprastai, tokio dydžio magnetinis laukas panaikina superlaidumą medžiagoje.
1993 m. atrasti Bobo Cavos ir ”Bell Labs”, ”Borocarbidai” turi vvieną įdomią savybę: žemiau temperatūros kur medžiaga tūri būti superlaidi, yra disonansinė temperatūra, esant kuriai jie grįžta į įprastą nesuperlaidų režimą pvz. (4 pav.).
”Sunkus Fermionai” tai retų žemėje elementų: arba U junginiai. Jų vidinių orbitų laidumo elektronai, dažnai turi efektinę masę šimtus kartų didesnę negu normaliųjų, rezultate – gaunamas žemas Fermio energijos lygis. Kriogeninėse temperatūrose daugelis iš šių medžiagų magnetiškai priklausomos, kitos pasižymi stipriomis paramagnetinėmis savybėmis, dar kitos yra superlaidžios tačiau šis superlaidumas prieštarauja BCS teorijai (apie ją plačiau kitame sskyriuje). Tyrimai teigia kad Kuperio porų (apie jas sekančiame skyriuje) susidarymas sunkiose Fermionuose atsiranda dėl magnetinių elektronų sukinių sąveikos, o ne dėl kristalinės gardelės virpesių. Sunkių Fermionų pvz.: , .
Kol kas tiktai vienas polimeras ”politiopenas” buvo sėkmingai pervestas į superlaidumo būseną, jo kritinė temperatūra labai žema 2.35 K . Tačiau, kiti organiniai polimerai pasižymi žemesne elektrine varža, negu geriausi metaliniai laidininkai. Šie ”ultralaidininkai” neturi nulinės varžos, bet jų padidintas laidumas (normaliomis sąlygomis) leidžia jiems dominuoti tam tikrose vartojimo srityse prieš superlaidininkus. Meisnerio efektas juose neobservuojamas, jų kritinė perėjimo temperatūra ( ) , aukščiau kurios polimeras yra, didesnė už 700 K. Taip pat jiems būdingas milžiniškas diamagnetizmas, taigi magnetinis laukas susikūręs tekant per ultralaidininkus didelėms srovėms negali sumažinti jų naudingumo.
Tarp atipinių superlaidininkų galėčiau dar išskirti ”Rutenėtus”,”Volframo-bronzą” ir ”Fluoro Argonėtus”, tačiau smulkiau jų neaptarinėsiu.
4. Superlaidumo pagrindai
Superlaidininkai turi savybę – perduoti elektrą be energijos nuostolių. Metaluose elektra perduodama, kaip išorinių energetinių lygmenų elektronų migracija nuo vieno atomo prie kito. Tie atomai sudaro vibruojančią kristalinę gardelę, kuo medžiaga karštesnė tuo gardelė stipriau vibruoja. Pradėję judėti elektronai, pradeda sąveikauti su kristalinės gardelės priemaišomis ir defektais. Kai elektronai susiduria su šiomis kliūtimis, jie praranda judėjimo kryptį ir atiduoda energiją šilumos pavidalu (5 pav.).
Superlaidininko viduje elektronų poelgis labai sskiriasi. Nors kristalinė gardelė ta pati ir defektų kiekis nepakitęs elektronų judėjimas visiškai kitoks. Kadangi elektronai su nieko nesusiduria, nėra trinties ir elektra perduodama be esminių srovės ir energijos nuostolių.
Superlaidumo supratimo teorija buvo pasiūlyta 1957 m. trijų Amerikos fizikų (John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer), yra žinoma kaip BCS teorija. BCS teorija paaiškiną superlaidumą temperatūrose artimuose absoliučiam nuliui. Kuperis suprato kad kristalinės gardelės virpesiai yra tiesiogiai atsakingi už neįprasta srovės judėjimą. Jie priverčia elektronus jungtis į poras, kurios lengviau įveikia kliūtis kurios sąlygoja laidininko varžą. Šie elektronų junginiai vadinami Kuperio poromis. Kuperis ir jo kolegos žinojo kad elektronai kurie paprastai stumia vienas kitą, superlaidininke vienas kitą traukia. Atsakymas į šį prieštaravimą slypi fononuose, grupėje garso bangų dalyvaujančių gardelei virpant.
Pagal šią teoriją, kai neigiamo krūvio elektronas pereina šalia teigiamo krūvio superlaidininko gardelės jonų, gardelė iškraipoma. Tai savo ruožtų sukelia fononų emisiją, kurie formuoja aplink elektroną teigiamo krūvio slėnį. 4 pav. atvaizduoja kristalinės gardelės iškraipymą, sukelta elektrono traukos. Prieš tai kai elektronas praskries ir gardelė grįš į išeities būseną, sekantis elektronas patenką į slėnį. Dėl šio proceso du elektronai kurie turėtu stumti vienas kitą susijungia Dviejų susijungusių į Kuperio porą elektronų sukiniai yra priešingi. Fononu sukeliamas poveikis stipresnis už elektronų stūmą. EElektronų poros yra koherentiškos ir juda laidininku, elektronai yra apsaugoti fononų ekrano ir juos dar skiria tam tikras atstumas. Kai vienas iš elektronų, sudarančių Kuperio porą, priartėja prie kristalinės gardelės jono, traukos jėgos sukelia gardelės vibracijas, kurios yra perduodamos nuo vieno jono prie kito, tol kol jas nesugeria pralekiantis antras poros elektronas. Taigi vienas elektronas skleidžia fononą o kitas jį sugeria, šis apsikeitimas laiko elektronus kartu. Svarbu pažymėti kad elektronų poros visa laika išsiskiria ir reformuojasi. 5 pav. vaizduoja kaip Kuperio poros juda gardele.
Tol kol superlaidininkas atšaldytas iki labai žemos temperatūros, Kuperio poros išsilaiko, ir riboja molekulinius judesius. Kai superlaidumas pasiekia karščio energiją, kristalinės gardelės virpesiai tampa stipresni ir išardo elektronų porą, kartu dingsta superlaidumas. Superlaidininkai pasižymi charakteringomis perėjimo temperatūromis, prie kurių iš paprastų laidininkų jie tampa superlaidininkais, tai kritinė temperatūra ( ). Žemiau jos medžiagos varža praktiškai lygi nuliu. Skirtingos medžiagos turi skirtingas ( ) reikšmes (plačiau 3 skyriuje ”Medžiagos”).
Superlaidininkai puikiai tinka milžiniškiems srovės kiekiams perduoti, tačiau yra maksimali srovės reikšmė kurią viršijus medžiaga praranda superlaidumą. Jeigu per didelis srovės kiekis teka superlaidininku, jis grįžta į normalią būseną net jeigu jo temperatūra žemesnė už kritinę. Kritinis srovės tankis ( ), priklauso nuo temperatūros, kuo medžiaga šaltesnė
tuo didesnį srovės kiekį ji gali perduoti.
Elektros srovė tekanti laidu sukuria magnetinį lauką aplink jį, lauko stiprumas priklauso nuo srovės dydžio. Dėl to kad superlaidininkai gali pernešti milžiniškus srovės kiekius , jie puikiausiai tinka stipriems elektromagnetams gaminti. Jeigu magnetinis laukas padidėja iki tam tikro taško ( ) – kritinis magnetinis laukas, superlaidininkas grįžta į normalę būseną. Visiems superlaidininkams yra temperatūrų ir magnetinio lauko sritis, kurioje išlaikomas superlaidumas o už jos ribų ne (6 pav.). Kai temperatūra tampa žemesnė už kkritinę, superlaidininkas stums magnetinį laiką iš savęs. Tai jis darys sukurdamas paviršines sroves, kurios savo ruožtu sudarys magnetinį lauką tiksliai priešingą išoriniam magnetiniam laukui (taip vadinamas ”magnetinis veidrodis”). Taigi superlaidininkas tampa idealiu diamagnetiku, naikinant visus magnetinius pokyčius savyje.
I ir II tipo superlaidininkų reakcijos į veikianti išorinį magnetinį lauką skiriasi. Tuos skirtumus iliustruoja 7 pav. Iš 7 pav. a) matome kai išorinis magnetinis laukas veikia I tipo superlaidininką, indukuotas magnetinis laukas tiksliai jį gesiną tol, kol ne pereina į normaliąją bbūseną. 7 pav. b) matome II tipo superlaidininko reakciją į augantį išorinį magnetinį lauką. Matome kad grafike yra papildomos Hc1 ir Hc2 reikšmės. Žemiau Hc1 superlaidininkas pašalina visą išorinį magnetinį lauką. Tarp Hc1 ir Hc2 magnetinis laukas pradeda skverbtis į superlaidininko vidų, tai pereinamoji būsena – dalis medžiagos yra normalioje, kita superlaidžioje būsenoje.
Reasumuojant, superlaidumo būsena yra apibrėžta trimis svarbiais parametrais: kritine temperatūra , kritiniu lauko stiprumu ir kritiniu srovės tankiu . Kiekvienas iš šių parametrų priklauso nuo kitu dviejų, o superlaidumo palaikymas reikalaują kad visų parametrų dydžiai neviršytu kritinės reikšmės. 8 pav. pateikta fazių diagrama atspindi ir tarpusavio santykius. Trijų parametrų sukurtas paviršius vadinamas kritiniu, jeigu nuo jo keliausim link koordinačių centro, medžiaga bus superlaidi. Srityje už kritinio paviršiaus medžiaga arba yra normalioje būsenoje arba gęstančioje pereinamojoje būsenoje.
Baigdamas šį skyrių trumpai aprašysiu Džozefsono efektą: per du puslaidininkius skirianti ploną barjerą elektronų pora gali prasiskverbti, tuneliniu būdu, be varžos. Džozefsono efektą ir jo jungties voltamperinę charakteristiką iliustruoja 9 iir 10 pav. Elektronų poros skverbsis pro barjerą tol, kol nebus pasiekta kritinė jungties srovės reikšmė. Superlaidi srovė teka net tada kai neveikia išorinė įtampa.
Džozefsono jungtys naudojamos kaip milžiniško greičio komutatoriai.
5. Superlaidumo taikymas
Perdavimo linijos pernešančios energiją be varžos, medicininiai diagnostikos prietaisai eliminuojantis chirurgijos būtinumą, levituojantys traukinai – tai ne ateities vizijos o pavyzdžiai to ką superlaidininkai šiandien sugeba.
Superlaidininkai leidžia žymiai efektyviau išnaudoti energiją ir sumažinti jos gamybos išlaidas, saugojimą, perdavimą, ir naudojimą.
Šiame skyriuje aptarsiu perspektyviausias superlaidininkų panaudojimo ssritys, bei sritys kuriose juos galima bus panauduoti artimiausioje ateityje.
Energijos perdavimo kabeliai
HTS perdavimo kabeliai, perduoda nuo 3 iki 5 kartų daugiau energijos negu įprasti kabeliai. Nepaprastai žemi nuostoliai padidins energijos perdavimo efektyvumą, lankstumą, ir sumažins elektros kainą. Superlaidininkai gali tapti energetinių super-magistralių pagrindu, kaip optiniai bangolaidžiai informacinių.
Trumpai aprašysiu HTS kabelio prototipą pagaminta ir išbandyta ”Pirelli Cable” kompanijos. Pireli projektas pavaizduotas 11 pav., kabelis skirtas požeminėms instaliacijoms. 120 m. ilgio, 3 – fazių, pritaikytas nepertraukiamam darbui 2400A ir 24 kV režime.
Skystas Azotas skirtas atšaldyti medžiagai iki temperatūros kurioje jis tampa superlaidus. Kas svarbu praktiniam panaudojimui: skystasis azotas visiškai saugus ir aplinkai inertiškas. Dielektrikas, atliekantis elektrinės apsaugos vaidmenį, nu žemos temperatūros yra apsaugotas termine izoliacija. Tai leidžia supaprastinti konstrukciją ir naudoti įprastus dielektrikus. Slydimo laidas skirtas fizinei apsaugai kabelį instaliuojant ir eksploatuojant.
Varikliai
HTS varikliai, lyginant su įprastais, efektyvesni 98, jų panaudojimas sumažina išlaidas surištas su energijos sunaudojimu, užterštumu, priežiūra apie 50 (įdomumui: milžiniški varikliai suvartoja apie 30 JAV generuojamos elektrinės energijos). 2000 m. buvo pristatytas 1000 arklių jėgų variklis, šiais metais pristatytas 5000 arklių jėgų.
Generatoriai
Generatoriai kuriose, vietoj geležies magnetų, naudojami superlaidus laidai, daro juos mažesniais, lengvesniais. Nauji generatoriai taip pat leidžia gauti didesnį energijos kiekį sunaudojant mažiau kuro. ”General Electric” mokslininkų ggrupė paruošė 100 MV/A generatoriaus projektą.
Srovės kontroleriai pagaminti naudojant HTS, garantuoja didesnį saugumą, patikimumą ir energijos kokybę. HTS kontrolerio panaudojimas leidžia sumažinti išlaidas skirtas saugikliams ir grandinės nutraukimo mechanizmams. Defekto srovės lygis tipiniame transformatoriuje gali viršyti 10-20 kartų pastovią jos reikšmę. Superlaidus srovės kontroleris leidžia apriboti defektinio srovės šuolio dydį iki 3-5 kartų, sumažinti energijos sąnaudas ir užtikrint lankstesnį žemesnės pakopos apsaugos įtaisų veikimą.
HTS srovės kontroleris gali aptikti ”galios bangą” ir nukreipti ją į HTS apvijas kur jį absorbuojama nenutraukiant grandinės. Šis įrenginys apriboja defekto srovės poveikį, garantuoja nepertraukiamą maitinimą, ir apsaugo prijungtą prie elektros tinklo įrangą.
15 kV įrenginys aktualiai testuojamas, kiekvienai fazei skirtas HTS solenoidas (diametre 1m, aukštis 0.75m) dirbs prie 40K temperatūros, normalaus darbo režime magnetinio lauko ribinė reikšmė 0.3T, defekto režime 1.4T. Normaliai dirbant ritės operuos 2000 A srove, ir išlaikys 9000A srovę avariniame režime.
Energijos saugojimas
Elektrinio smagračio sistemos gali padidinti elektros tiekimo efektyvumą. Jos gali kontroliuoti tinklo apkrovos lygį ir užtikrinti nepertraukiamą maitinimą. Kaip energijos kaupimo įrenginys, smagračio sistema gali pakeisti elektros energiją į kinetinę energiją (smagračio sukimasis) ir panaudoti sukimosi kinetinę energiją elektrai regeneruoti.
Smagračiai gali eliminuoti kaip momentinius įtampos bei tinklo dažnio pokyčius, taip ir ilgalaikius energijos tiekimo nutraukimus. Smagračiai taip pat ggali būti naudojami fliuktuacijų, atsirandančių dėl tinklo apkrovos pokyčių, išlyginimui.
12 pav. pateiktas 10 kWh smagračio projektas pasiuitas firmos Boeing. Smagračio idėja (paversti elektros energiją, variklio pagalba, kinetine energija ir po to ją atgauti generatoriumi) nėra nauja, tačiau energijos nuostoliai surišti su mechaniniais ir elektro-mechaniniais guoliais buvo pernelyg dydeli ( 3-5 kaupiamos energijos per valandą). Aktyviai kontroliuojamų elektromagnetinių guolių naudojimas taip pat nepasitvirtino.
Atradus didelio efektingumo HTS guolius, energijos nuostoliai gali būti sumažinti iki 0.1 per valandą. Magnetų ratas montuojamas po HTS guoliais sudaro simetrinį magnetinį lauką, kai rotorius pajuda iš centrinės padėties generuojamos superlaidininke jėgos gražina jį į vietą. Tam kad sumažinti trinties jėgas smagračio korpusas yra hermetiškas ir jame išlaikomas vakuumas.
MRI
MRI (Magnetic Resonance Imaging) magnetinio rezonanso atvaizdavimo įrenginiai padidina vidinių organų diagnostikos galimybes – eliminuojama chirurginė intervencija. Pagal naujausius duomenis, Korėjos Superlaidininkų Asociacija sukūrė SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) superlaidų kvantinės interferencijos prietaisą skirta Magneto-encefalografijai. SQUID sugeba registruoti magnetinio lauko pokyčius 100 bilijonų kartų silpnesnio už tą lauką kuris veikia kompaso adatą.
Maglev
Maglev (Magnetic-Levitation) magnetinė levitacija. Šis reiškinys gali būti sėkmingai panaudotas transportui, pvz.: traukiniai gali būti pagaminti tam kad ”plaukti” ant stiprių superlaidžių magnetų, eliminuojant trinti tarp traukinio ir bėgių. Pirmas tokio projekto realizavimo planas pradėtas
1990m. Japonijoje. 1997m.buvo sukonstruota testinė linija, o 1999m. joje MLX01 Yamanaschi Maglev traukinys (13 pav.) išvystė 343 Milių per valandą (583 km/h) greitį
——————————————————————————————————————————
Nacionalinė Mokslo Asociacija, NASA ir DARPA kartu su įvairiais universitetais tyrinėja ”petaflop” kompiuterius. Petaflop – tai tūkstančiai trilijonų plaukiojančio taško operacijų per sekundę. Šiuolaikiniai kompiuteriai yra pasiekę tiktai ”teraflop” greičius (trilijonai operacijų per sekundę) . Aktualiai greičiausias yra IBM ASCI ”white” – 12,3 teraflopai per sekundę (vienas įrenginys), SETI veikia 23 teraflopų greičiu (500000 PK lygiagrečiai sujungtų). <
Spėjama, kad 50nm eilės dydžio, su neįprastais rakto mechanizmais (pvz. Džosefsono jungtimis – du superlaidininkai atskirti dielektriko) bus reikalingos tam kad pasiekti tokius greičius. Mokslininkai paskaičiavo kad reikėtų 100 bilijonų Džozefsono jungčių 4000 – ose mikroprocesorių (Džozefsono jungtis panaudojamos lauko tranzistoriuose, kurie yra procesoriaus dalimi) tam kad pasiekti 32 petabitų greitį.
Didelės energijos dalelių tyrimuose, superlaidus magnetai leidžia pagreitinti sub-atomines daleles iki šviesos greičio.
Ultra – jautrus ir greiti superlaidus šviesos detektoriai pritaikyti teleskopams sugeba detektuoti pavienį fotoną.
Taip pat superlaidumas greitai ppasieks komunikacijos sritį. 2000 m. vasario mėnesi
” Irvine Sensors Corporation” gavo užsakymą sukurti superlaidų skaitmeninį maršrutizatorių, didelių greičių komunikacijoms. (pagal naujausius duomenys jie jau sukurti, minimalus pasiekiami greičiai 40Gbit/s kiekvienam kanalui, ir ns eilės perjungimo trukmė)
——————————————————————————————————————————
i.t.t.
6. Naujausi duomenys
Superlaidi E-bomba (09.2001)
Pirmi AAmerikietiškos elektromagnetinės bombos bandymai planuojami kitais metais. Jas taikyti žadama kariniame laivyne, aviacijoje, raketoms ir pan. Superlaidininkų sukuriamas stiprus magnetinis laukas bus naudojamas, priešininkų elektroninės aparatūros naikinimui ir ginkluotes neutralizavimui.
A 117K Fulleridas (5.09.2001)
Pasiektas naujas kritinės temperatūros rekordas fullerenų medžiagoms. Į C60 kristalą buvo įvestos priemaišos ir injektuotos skylės. Esant 3-3.5 skylėms kiekvienai C60 molekulei buvo gauta 117K kritinės temperatūros reikšmė.
Pagal autorius, jeigu kristalinės gardelės parametrus galima bus dar padidinti 1, nesuardant kristalo, tai padidės iki 150K.
Superlaidumas ir DNR (01.2001)
Tam kad kurtį vis mažesnius elektroninius prietaisus, mokslininkai ieško būdų rinkti grandines atomų lygyje. Tačiau rasti molekules galinčias pernešti elektrinį krūvį nėra lengva. Alik Kasumov (Laboratoire de Physique des Solides) įrodė kad DNR molekulės yra ominiais laidininkais temperatūrose didesniuose už 1K, o žžemiau šios temperatūros jos gali būti superlaidžiomis.
7. Superlaidumo tyrimai Lietuvoje
Lietuvoje superlaidumo tyrimus vykdo PFI (Puslaidininkių Fizikos Institutas). Plonas įvairių metalų oksidų juostas ir ju fizikinius duomenys tyria Aukštos Temperatūros Superlaidumo laboratorija (vadovas dr. B. Vengalis). Pagrinde laboratorija koncentruojasi ties aukštų superlaidininkų sinteze (YBa2Cu3O7), milžiniškos magnetinės varžos mangano oksido tyrimu (La1-xAxMnO3 ) ir kitų metalų oksidų juostų, bei daugiasluoksnių struktūrų panaudojimu.
Teoretiniai aukštos superlaidininkų tyrimai ir magnetinių medžiagų tyrimai atliekami grupės vadovaujamos dr.hab. E.Tornau. Tyrimai daugiausia apima fazės pokyčių modeliavimą jų skaitmeninį simuliavimą iir pritaikymą įvairioms superlaidininkų problemoms spręsti. Konkrečiai grupė tęsia struktūrinės fazės perėjimo YBa2Cu3O6+x tyrimą ir žemų temperatūrų termodinamikos ASYNNNI modelyje analizę.
Optiniai superlaidininkų tyrimai (vykdomi institute) turi tikslą išanalizuoti superlaidžių vario junginių elektroninę struktūrą. Tam kad geriau suprasti vario junginių fiziką, buvo išrasta kristalinės struktūros ir optinio spektro analizei – fragmentinė aproksimacija.
Aukštatemperatūrinių superlaidininkų juostų savybės mikrobangų ir milimetrinių bangų diapazone taip pat yra tiriamos PFI.
8. Literatūra
Apie superlaidumą bendrai:
www.eren.doe.gov/about_hisory.html
/about_uses.html
/about_hts_milestones.html
/superconductivity/pdfs/power_cable_pirelli.pdf
/superconductivity/pdfs/power_cable_southwire.pdf
/superconductivity/pdfs/motor.pdf
/superconductivity/pdfs/current_controller2.pdf
/superconductivity/pdfs/flywheel_2.pdf
www.superconductors.org/Superconductor History.htm
/Type 1 Superconductors.htm
/Type 2 Superconductors.htm
/Atypical Superconductors.htm
/Superconductor uses
/117K.htm
/emp-bomb.htm
http//physicweb.org/article/news/5/1/5
http//www.pfi.lt
Pirmo tipo superlaidininkai
Švinas (Pb)
Lantanas (La)
Tantalas (Ta)
Gyvsidabris (Hg)
Alavas (Sn)
Indis (In)
Talis (Tl)
Renis (Re)
Protaktinis (Pa)
Toris (Th)
Aliuminis (Al)
Galis (Ga)
Gadolinis (Gd)
Molibdenas (Mo)
Cinkas (Zn)
Osmis (Os)
Cirkonis (Zr)
Americis (Am)
Kadmis (Cd)
Rutenis (Ru)
Titanas (Ti)
Uranas (U)
Hafnis (Hf)
Iridis (Ir)
Liutecis (Lu)
Berilis (Be)
Volframas (W)
Platina (Pt)
Rodis (Rh) 7.2 K
4.9 K
4.47 K
4.15 K (Pirmas atrastas superlaidininkas – 1911)
3.72 K
3.40 K
1.70 K
1.697 K
1.40 K
1.38 K
1.175 K
1.10 K
1.083 K (feromagnetikas aukščiau Tc; diamagnetikas žemiau Tc)
0.915 K
0.85 K
0.66 K
0.61 K
0.60 K
0.517 K
0.49 KK
0.40 K
0.20 K
0.128 K
0.1125 K
0.100 K
0.026 K
0.0154 K
0.0019 K
0.000325 K
Antro tipo superlaidininkai
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33
HgBa2Ca2Cu3O8
HgBa2Ca1-xSrxCu2O6+
HgBa2CuO4+ 138 K (Aukščiausia temperatūra)
133-135 K
123-124 K
94-98 K
Tl1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10+
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
TlBa2Ca2Cu3O9+
Tl0.5Pb0.5Sr2Ca2Cu3O9
TlBa2Ca3Cu4O11
Tl2Ba2Ca3Cu4O12 130 K
127 K
123 K
120 K
112 K
112 K
Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
Bi2Sr2CaCu2O9
Bi2Sr2CaCu2O8 115 K (plona juosta ant MgO substrato)
110 K
110 K
80K
Ca1-xSrxCuO2
110 K (Didžiausia Tc 4-elementų junginiui)
TmBa2Cu3O7
GdBa2Cu3O7
YBa2Cu3O7+
Y2Ba4Cu7O15
Yb0.9Ca0.1Ba1.8Sr0.2Cu4O8
YbBa1.6Sr0.4Cu4O8 90 – 101 K
94 K
93 K
93 K
86 K
78 K
(Ba,Sr)CuO2
90 K
(Sr,Ca)5Cu4O10
Pb2Sr2YCu3O8
GaSr2(Y, Ca)Cu2O7
(La,Sr,Ca)3Cu2O6
(Eu,Ce)2(Ba,Eu)2Cu3O10+
SrNdCuO**
La1.85Sr0.15CuO4
(La,Ba)2CuO4
La1.85Ba.15CuO4
(Nd,Sr,Ce)2CuO4
Pb2(Sr,La)2Cu2O6 70 K
70 K
70 K
58 K
43 K
40 K
40 K
35-38 K
35 K (Pirmas keramikinis superlaidininkas atrastas 1986)
35 K
32 K
Cs3C60
MgB2
Ba0.6K0.4BiO3 40 K (Didžiausia-Tc Fulleridui)
39 K
30 K
Nb3Ge
Nb3Si
Nb3Sn
Nb3Al
V3Si
Ta3Pb
V3Ga
Nb3Ga
V3In 23.2 K
19 K
18.1 K
18 K
17.1 K
17 K
16.8 K
14.5 K
13.9 K
Nb0.6Ti0.4
9.8 K (Pirmas superlaidus laidas)
Nb*
Tc
V 9.25 K*
7.80 K
5.40 K
Šie trys superlaidininkai yraq vieno elemento 2 tipo superlaidininkai.
* Niobio Tc augant slėgiui mažėja (priešingai negu kituose elementuose)
HoNi2B2C
Fe3Re2
GdMo6Se8
CoLa3
MnU6 <
AuZn3 7.5 K (Borokarbidas)
6.55 K
5.6 K
4.28 K
2.32 K (Sunkus Fermionas)
1.21 K
Šie 6 junginiai susideda iš elementų kurie yra feromagnetikais arba anti-feromagnetikais(kaip oksidai). Tai daro juos prieštaringais (atipiniais) superlaidininkais (žiūrėk 3 skyrių medžiagos atipiniai superlaidininkai).
Sr.08WO3
Tl.30WO3
Rb.27-.29WO3 2-4 K (Wolframo-bronza)
2.0-2.14 K
1.98 K
AuIn3
0.00005 K
(Pirmas feromagnetikas kuriame atrastas superlaidumas)
