151373 (621680), страница 4
Текст из файла (страница 4)
2.1 Надпровідні соленоїди
Обмотку соленоїда можна зробити із надпровідного матеріалу. Такий соленоїд може працювати, майже не споживаючи електроенергії, оскільки один раз збуджений у ньому струм не загасає. Потрібно тільки підтримувати соленоїд при низькій температурі, а для цього вимагаються дуже малі потужності. Таким чином, експлуатація надпровідних магнітів виключає потребу у великих джерелах споживання. Для споживання годяться звичайні батареї, чи генератори або акумулятори.
Зважується проблема відводу тепла. При нульовому опорі і потужність, що виділяється, рівна нулю . Правда, проблема міцності залишається , тому рекордних полів надпровідні соленоїди не створюють. Але зате вони легші і менші по розмірах, ніж звичайні . У порівнянні з кріогенними надпровідні соленоїди вимагають у сотні разів меншої витрати холодоагенту. Так, при індукції магнітного поля 10..15 Тл надпровідний магніт важить усього кілька десятків кілограмів, і із усім стосовним до нього устаткуванням займає площу кілька квадратних метрів і витрачає приблизно 10 л рідкого гелію в добу. І це замість декількох десятків тонн і тисяч кіловат електроенергії, що знадобилися б для роботи не надпровідного магніту з тими ж параметрами.
Ідея використання явища надпровідності для створення сильних магнітних полів виникла відразу ж після його відкриття. Вже в 1913 р. Камерлінг-Оннес вирішує побудувати надпровідний магніт з індукцією, рівною 10 Тл , що не споживає енергії. Але мрії Оннеса не призначено було збутися, принаймні при його житті. Надпровідність, як з'ясувалося, руйнувалася в магнітних полях, у тисячі разів більш слабких. Оскільки такі поля (індукцією в соті частки тесла) можна було набагато простіше одержувати за допомогою постійних магнітів, реалізацією ідеї створення надпровідних магнітів ніхто тоді серйозно не зайнявся.
Надії на будівлю могутніх надпровідних магнітів відродилися на початку 30-х років, коли голландські фізики Хаас і Воогд знайшли, що сплави свинцю з вісмутом зберігають надпровідність аж до полів з індукцією 2 Тл. Це відкриття давало можливість будувати надпровідні магніти принаймні з таким же магнітним полем. Однак їх так ніхто і не став будувати.
В історії надпровідних магнітів відбулася дуже драматична подія. Спадкоємець Оннеса , новий директор лейденської лабораторії, відомий фізик Кеєзом вирішив повторити експеримент. Він виміряв критичний струм сплаву свинцю з вісмутом і знайшов, що струм цей занадто малий, щоб з цього сплаву був сенс робити дріт для обмотки магніту.
На початку 60-х років нашого сторіччя виміри на сплавах свинцю з вісмутом були повторені. І тоді з'ясувалося, що Кеєзом помилився: він зробив те, чого не мав право робити ,- екстраполював дані, отримані їм у слабких магнітних полях, на область сильних магнітних полів. Критичний струм виявився цілком достатнім для того, щоб з цих сплавів усе-таки можна було виготовити нехай не дуже сильні, але досить економічні магніти. Широко розгорнулися слідом за цим пошуки нових надпровідників і привели до відкриття сплавів і з'єднань з високими критичними параметрами. Тепер можна було приступати до створення дроту, кабелів, шин із надпровідних матеріалів. Шлях до технічної надпровідності, до надпровідних магнітів, електротехнічним пристроям був відкритий.
2.2 Надпровідні генератори
Сучасні електрогенератори - великі спорудження, у яких утворюються великі магнітні поля, і з кожним роком їхня потужність зростає. Нажаль, можливості підвищення потужності електричних машин не безмежні. Якби обмотку збудження електричної машини (по суті справи, електромагніт особливої форми) вдалося зробити з надпровідника, це відразу б вирішило ряд проблем. По-перше, зникло б нагрівання. По-друге , збільшились би у машині поля і струми, що привело б до різкого скорочення розмірів машини. Так, надпровідний генератор потужністю 1300 МВт мав би близько 10 м у довжину і масу 280 т. Довжина аналогічної машини звичайної конструкції більш 20 м , маса 700 т. Одна тільки маса ротора, наприклад, зменшилась би у 4...5 разів . Адже метал, з якого виготовлений великий ротор, що швидко обертається, працює в дуже напружених умовах, так що зниження маси і розмірів істотно підвищує механічну надійність конструкції. Можна вказати і на ряд визначених економічних переваг: коефіцієнт корисної дії надпровідних машин вищий , ніж у генераторів традиційної конструкції.
Переваги надпровідних машин стають особливо помітними при потужності генератора більш 1000 МВт. Надпровідники знімають з порядку денного проблему "ліміту потужності", даючи фантастичну можливість будівлі генераторів потужністю аж до 20 000 МВт. Роботи, зв'язані зі створенням могутніх і економічних генераторів, ведуться зараз широким фронтом. Перша експериментальна модель такого генератора була побудована ще в 1967 році. Вона мала потужність усього лише 600 Вт. А в 1982 році був випробуваний генератор потужністю вже 20 МВт. Результати цих експериментів дозволили приступити до будівлі надпровідного генератора потужністю 300 МВт.
2.3 Кабелі для передачі інформації
З ростом споживаних потужностей усе гострішою стає проблема передачі енергії. Джерела енергії і її споживачів часто розділені величезними відстанями. Як краще передавати енергію?
Сьогодні електроенергія передається споживачам в основному за допомогою повітряних ліній передачі (ЛЕП). Для підвищення ефективності роботи таких ліній є єдиний шлях - подальший підйом напруги. Уже давно існують ЛЕП напругою 1 MB і вище, коефіцієнт корисної дії таких ліній близький до 95%.
Повітряні лінії найдешевші , але з ними зв'язані безліч проблем. У них б'ють блискавки, вони заважають будівництву, транспорту, радіозв'язку, псують ландшафт, шкодять фауні і людині. Можна, звичайно, передавати енергію по підземних кабелях, але і тут виникає чимало складностей. Приходиться прокладати кілька паралельних віток кабелю, охолоджувати струмонесучі жили кабелю газом, олією чи водою. Кабельна лінія передачі приблизно в 10...15 разів дорожче повітряної при однаковій провідній здатності. І в повітряній, і в кабельній лінії приблизно десята частина енергії губиться при нагріванні струмопровідних жил.
Звичайно ж, дуже заманливим для рішення цієї проблеми є явище надпровідності. Провідник без опору ідеально підходить саме для цієї мети. Перші кроки в цьому напрямку були зроблені ще в 60-х роках. Уже тоді американець Р. Мак-фи підрахував, що по надпровідному кабелю товщиною в руку можна пропускати всю пікову потужність, що виробляється електростанціями США.
Ідея створення надпровідних кабелів зміцнювалася в гострій науковій боротьбі. Необхідно було вирішити, чи буде застосування надпровідників економічно конкурентно здатним в якому-небудь інтервалі напруг. Виконаний ще радянськими інженерами техніко-економічний аналіз показав, що при великій потужності надпровідний кабель є в 2..3 рази дешевшим звичайного, а втрати енергії в ньому скорочені приблизно в 25 разів. Сам по собі надпровідний матеріал набагато дорожчий міді, однак струмонесуча жила виявляється дешевшою. Причина ясна: адже по проводу площею перетину 1 мм2 можна пропускати не 1...2 А, а 10 кА.
Тут треба відзначити, що в кабелях змінного струму деяка частина енергії все-таки губиться. Справа в тому, що при протіканні змінного струму у надпровідному кабелі з'являється електричний опір. Обумовлено це явище впливом змінного електричного поля на неспарені електрони в надпровіднику. Протягом одного півперіоду струму їхня швидкість наростає від нуля до максимуму і знову падає до нуля, a потім струм змінює напрямок на протилежний, і усе повторюється знову.
Таким чином, струм що йде по надпровіднику витрачає свою енергію на коливальні рухи електронів. Виникаючий опір, хоча він і малий в порівнянні з опором металу в нормальному стані, усе-таки приводить до виділення тепла, і кабель треба охолоджувати.
Основні труднощі, що виникають при прокладанні надпровідного кабелю - тепловий захист надпровідника. Охоронити кабель від великого припливу тепла ззовні можна за допомогою вакуумної ізоляції. Кабель має вид багатошарової труби і, по суті, являє собою кріостат. Поперечний переріз такого кабелю схематично показано на рисунку 14.
Вакуумна ізоляція
Рис .14
Внутрішня труба діаметром близько 70 мм, покрита шаром надпровідного матеріалу товщиною близько 0,3 мм, заповнена рідким гелієм, який женуть по ній насоси. В якості надпровідника може бути використаний, наприклад, сплав ніобію, титана і цирконію. Між першою і другою трубами вакуумна ізоляція, між другою і третьою протікає рідкий азот, між третьою і четвертою (зовнішньою) знову вакуумна ізоляція.
Незважаючи на простоту конструкції, монтаж такої лінії пов’язаний із значними труднощами.
Треба забезпечити герметичність кабелю, навчитися збирати його з окремих коротких відрізків, розробити рефрижератори, компенсатори деформацій і інше устаткування. "Холодні" лінії повинні витримувати перевантаження й аварійні режими, тому важливо удосконалювати і стабілізацію ліній.
2.4 Трансформатор постійного струму
Ще одна немислима конструкція на надпровідниках - трансформатор постійного струму. Трансформатор - один з найпоширеніших виробів електротехнічної промисловості. Вони настільки прості по своїй конструкції, що поліпшити їх неймовірно важко. Сьогоднішній прогрес у трансформаторобудуванні зв'язаний з удосконаленням технології їхнього виготовлення. Промисловість пропонує тисячі типів трансформаторів - різні по потужності, по вазі, по кількості обмоток... Немає тільки трансформатора постійного струму. Одержати постійний струм у вторинній обмотці ненадпровідного трансформатора дійсно неможливо. У звичайних умовах не можна передати енергію від однієї обмотки до іншої за допомогою постійного струму, тому що струм у первинній обмотці, а отже, і магнітний потік у магнітопроводі не міняються по величині і напрямку. Тільки при включенні, коли струм у первинному ланцюзі наростає, тобто під час перехідного процесу, у вторинній обмотці виникає імпульс струму, але він швидко загасає через електричний опір вторинної обмотки. Якщо зробити обмотки трансформатора надпровідними, первинну обмотку з'єднати через вимикач із джерелом струму поза кріостатом, а вторинну замкнути на надпровідний ланцюг, то описаний перехідний процес піде інакше. При подачі струму в первинну обмотку у вторинній обмотці індукується електрорушійна сила , що викликає струм, який не загасає навіть тоді, коли вже немає електрорушійної сили , оскільки опір надпровідника дорівнює нулю. За допомогою таких трансформаторів постійного струму можна подавати в кріостат з рідким гелієм невеликий струм по тонких провідниках , трансформувати цей струм , доводячи його силу до десятків тисяч ампер. І ці величезні струми будуть циркулювати по надпровідній обмотці, у той час як з області , що має кімнатну температуру, трансформатору буде подаватися струм усього лише кілька ампер.
2.5 Магнітні підвіси і підшипники
Надпровідна сфера (Рис. 15) висить над кільцем, у якому циркулює незатухаючий струм. Відбувається це , як ми вже знаємо, завдяки діамагнетизму надпровідників. Сила ваги сфери врівноважується "магнітною подушкою", що створюється надпровідним струмом.
Рис .15
Висіти таким чином, як з'ясувалося, можуть досить важкі предмети.
Ефект механічного відштовхування використовується для створення магнітного підвісу. Найбільш простий варіант такого пристрою схематично зображений на рисунку 16.
Надпровідний диск опускається на надпровідну котушку , у якій тече незатухаючий струм. На цьому принципі можна створити різні пристрої, що дозволяють забезпечити стійку підвіску в одному, двох чи трьох напрямках. На рисунку 16,а зображений підшипник, стійкий в одному напрямку, а на рисунку 16,б показано застосування цього принципу підвіски підшипника на всі три напрямки в просторі.
Подібні магнітні підвіси можуть працювати у всіляких пристроях. Особливо вони зручні в тих випадках, коли тіло, підвішене в магнітному полі, повинне обертатися з великим числом обертів.
а) б)
Рис .16
2.6 Надпровідні перемикачі й елементи пам’яті
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
