Szupravezetés fizikai meghatározása, energetikai alkalmazások, kihívások és kulcsfigurák

EMLÉKEZNI

Egy szupravezetőben nagyon alacsony hőmérsékleten hirtelen megszűnik az elektromos ellenállás. Ezután az anyag tökéletesen vezeti az áramot energiaveszteség nélkül.
A mágneses mezőket a szupravezetők mélyen befolyásolják. Többek között lehetővé teszik a világon leggyorsabbakkal rendelkező vonatok lebegtetését Japánban.
A szupravezetést azonban manapság elsősorban a gyenge áramokra alkalmazzák, vagyis az információfeldolgozó alkalmazásokra.
A kutatók jelenleg azon dolgoznak, hogy magyarázatot találjanak a "legforróbb" elemek szupravezetésére (ez a "magas hőmérséklet" -135 ° C alatt marad).

Összegzés

Meghatározás és kategóriák
Fizikai magyarázatok
Alkalmazások
Kulcsfigurák
Múlt
Tét és jövő

A szupravezetés bizonyos anyagok tulajdonságára utal, hogy az elektromos áramot tökéletesen (ellenállás nélkül) vezesse erős mágneses mezők létrehozásával. Ez a fizikai jelenség csak nagyon alacsony, az abszolút nullához közeli hőmérsékleten érhető el (- 273,15 ° C).

A szupravezető anyagok lehetővé teszik jelentős elektromos áramok ("erős áramok"), de nagyon nagy információáramok ("gyenge áramok") terjedését az energia eloszlatása nélkül. Ezekben az anyagokban hosszú távú veszteségek nélkül is tárolhatjuk az elektromosságot, és felhasználhatjuk az őket körülvevő intenzív mágneses mezőket az erős fém töltetek lebegtetéséhez és mechanikai súrlódás nélküli mozgatásához.

A hűtési technológiák bonyolultsága nagyon alacsony hőmérsékleten tovább korlátozza a szupravezetők alkalmazását. A műszaki fejlődés azonban várhatóan részben csökkenti ezt a korlátozást.

Az elektromos ellenállás hiánya

Egy szupravezetőben az elektromos ellenállás hirtelen eltűnik a "kritikus hőmérséklet" nevű hőmérséklet alatt. Az anyag ezután tökéletesen vezeti az áramot. Például az elektromos áram korlátlanul tovább folytathatja a szupravezető gyűrűt, miután az áramellátás megszűnik.

Atomi skálán, amikor egy anyag nagyon alacsony hőmérsékleten szupravezetõvé válik, elektronjai (amelyek kvantum szinten szintén hullámok) párban kapcsolódnak össze. Ezután az összes elektronpár egymásra kerül, egyetlen kvantumhullámot ("kondenzátumot") alkotva, amely érzéketlenné válik az anyag hibáival szemben (1), így kiküszöböl minden elektromos ellenállást.

A mágnesesség módosulása

A szupravezetőben a mágneses mezők mélyen érintettek:

teljesen lemondhatják egymást az anyagban (Meissner-effektus). Ezt a hatást egy szupravezetőben a mágneses mezők külső megjelenése jellemzi (2);
fagyaszthatók abban a konfigurációban, amelyben a szupravezető állapotba lépéskor voltak (csapdázó örvények).

Ezen hatások egyikét vagy másikát a szupravezető anyag jellegétől függően figyelhetjük meg. Lehetséges a mágnes lebegtetése, ha ezeket az effektusokat egy rendszerben kombináljuk: a Meissner-effektus eltolja a mágnest a szupravezetőtől, miközben az örvények csapdája megtartja a mágnest ott, ahol a szupravezető lehűlésekor volt. Ezután a mágnes csapdába esik anélkül, hogy vonzódna.

Elektromos szállítás szupravezető kábelekkel

A szupravezető kábel ellenállás nélkül vezeti az elektromos áramot, tehát veszteség nélkül (Joule-effektussal). Ez lehetővé teszi a hagyományos kábelnél jóval nagyobb szállítási kapacitás elérését (3–5-ös tényező). Ez lehetővé teszi a telített hálózat kapacitásának növelését építési beruházások nélkül és a lábnyom növelése nélkül, a hűtőberendezések kivételével.

Az áramelvezetés hiányából származó nyereséget ellensúlyozzák a kábel hűtésének költségei.

Néhány nagy metropoliszban az elektromos teljesítmény növekedésével összefüggésben a szupravezető kábelek nagyon érdekes gazdasági alternatívát jelentenek egy új, nagyobb kapacitású ellenállókábel kifejlesztéséhez. Nulla hőszigetelő jellege nagy rugalmasságot biztosít a kábel telepítésében.

Gazdasági szempontból azonban az áramelvezetés nélküli előnyöket ellensúlyozzák a kábel hűtésének költségei. A kábelek szupravezetése kriogén szempontból nem túl kedvező a felület és a térfogat közötti magas arány miatt. Ezenkívül a szupravezető kábel energiamérlege csak bizonyos határokon túl kedvezőbb, mint egy hagyományos kábelé áramot, figyelembe véve az azt hűtő kriosztát veszteségeit. Végül vegye figyelembe, hogy a szupravezető kábel néha alacsony veszteségeket szenvedhet el, ha váltakozó áram haladja meg, például 50 vagy 60 Hz frekvencián.

A szupravezető kábelek technológiája számos eredménynek köszönhetően bizonyos érettségre tett szert. Például a Nexans (3) vállalat 2008 márciusa óta az Egyesült Államokban üzemelteti a világ legnagyobb energiájú (600 MW) 600 m-es szupravezető kábelét (LIPA projekt).

Áramkorlátozók vagy "Hibás áramkorlátozó" (FCL)

A szupravezető kábelek az áramkorlátozó beépítésével szintén hozzájárulhatnak az elektromos hálózat biztonságának javításához.

Az FCL összehasonlítható egy állandó "szuper biztosítékkal", mivel áramkimaradás után automatikusan regenerálódik.

Az áramkorlátozó olyan eszköz, amely automatikusan és természetesen korlátozza az áramot, amint az meghaladja az előre meghatározott értéket. Az áramokat jelenleg nem korlátozzák, hanem csak a megszakítók vágják le, ami zavart okoz a villamos energia átadásában.