Čerpání tavidla - Flux pumping

Čerpání toku je metoda pro magnetizující supravodiče na pole nad 15 teslas.^{[Citace je zapotřebí ]} Metodu lze použít na jakoukoli supravodič typu II a využívá základní vlastnost supravodičů, jmenovitě jejich schopnost podporovat a udržovat proudy na délkové škále supravodič. Konvenční magnetické materiály jsou magnetizovány v molekulárním měřítku, což znamená, že supravodiče mohou udržovat řádově hustotu toku o řádově větší než běžné materiály. Čerpání tavidla je obzvláště významné, když si uvědomíme, že všechny ostatní metody magnetizace supravodiče vyžadují použití hustoty magnetického toku alespoň tak vysoké jako konečné požadované pole. To neplatí pro čerpání toku.

An elektrický proud proudění ve smyčce supravodivého drátu může přetrvávat neomezeně dlouho bez zdroje energie. V normálním vodiči může být elektrický proud zobrazen jako tekutina elektrony pohybující se přes těžký iontový mříž. Elektrony neustále narážejí na ionty v mřížce a během každé srážky některé z nich energie nesený proudem je absorbován mřížkou a přeměněn na teplo, což je v podstatě vibrační Kinetická energie iontů mřížky. Výsledkem je, že energie přenášená proudem je neustále rozptýlena. Toto je fenomén elektrický odpor.

U supravodiče je situace jiná. V konvenčním supravodiči nelze elektronovou tekutinu rozložit na jednotlivé elektrony. Místo toho se skládá z vázaného páry elektronů známých jako Cooperové páry. Toto párování je způsobeno přitažlivou silou mezi elektrony z výměny fonony. Kvůli kvantová mechanika, energetické spektrum kapaliny tohoto páru Cooper má energetická mezera, což znamená, že existuje minimální množství energie ΔE které musí být dodány, aby se tekutina nabudila. Proto pokud ΔE je větší než Termální energie mřížky, dané kT, kde k je Boltzmannova konstanta a T je teplota „tekutina nebude mřížkou rozptýlena. Cooperova kapalina je tedy a supratekutý, což znamená, že může proudit bez rozptylu energie.

Ve třídě supravodičů známých jako supravodiče typu II, včetně všech známých vysokoteplotní supravodiče „Při aplikaci elektrického proudu ve spojení se silným magnetickým polem, které může být způsobeno elektrickým proudem, se při teplotách ne příliš hluboko pod nominálním supravodivým přechodem objeví extrémně malé množství měrného odporu. To je způsobeno pohybem vírů v elektronickém superfluidu, který rozptyluje část energie přenášené proudem. Pokud je proud dostatečně malý, pak jsou víry stacionární a odpor zmizí. Odpor v důsledku tohoto jevu je ve srovnání s ne supravodivými materiály malý, ale musí být zohledněn při citlivých experimentech.

Úvod

U zde popsané metody je magnetické pole přehnáno přes supravodič v magnetické vlně. Toto pole indukuje proud podle Faradayův zákon indukce. Pokud je směr pohybu magnetické vlny konstantní, pak bude indukovaný proud vždy ve stejném smyslu a následné vlny budou indukovat stále více proud.

Tradičně by magnetická vlna byla generována fyzickým pohybem a magnet nebo uspořádáním sekvenčně spínaných cívek, jaké se vyskytují na statoru třífázového motoru. Flux Pumping je metoda v pevné fázi, kdy se materiál, který mění magnetický stav při vhodné teplotě magnetického uspořádání, zahřívá na svém okraji a výsledná tepelná vlna produkuje magnetickou vlnu, která poté magnetizuje supravodič. Supravodivé čerpadlo toku by nemělo být zaměňováno s klasickým čerpadlem toku, jak je popsáno v Van Klundert et al^[1] Posouzení.

Zde popsaná metoda má dvě jedinečné vlastnosti:

• V žádném okamžiku není supravodič řízený normálně; postup jednoduše provede úpravy kritického stavu.
• Kritický stav se nemění pohyblivým magnetem nebo polem solenoidy, ale tepelným pulzem, který modifikuje magnetizaci, a tím zametá víry do materiálu.

Systém, jak je popsán, je ve skutečnosti novým druhem tepelného motoru, ve kterém Termální energie se převádí na magnetická energie.

Pozadí

Meissnerův efekt

Trvalý elektrický proud teče na povrchu supravodiče a působí tak, že vylučuje magnetické pole magnetu. Tento proud účinně tvoří elektromagnet, který magnet odpuzuje.

Když je supravodič umístěn do slabého externího zdroje magnetické pole H, pole proniká supravodičem jen na malou vzdálenost λ, volal London penetration depth, rozpadající se exponenciálně na nulu uvnitř materiálu. Tomu se říká Meissnerův efekt, a je určující charakteristikou supravodivosti. U většiny supravodičů je londýnská hloubka průniku řádově 100 nm.

Meissnerův efekt je někdy zaměňován s druhem diamagnetismus dalo by se očekávat v dokonalém elektrickém vodiči: podle Lenzův zákon, když měnící se magnetické pole je aplikováno na vodič, indukuje elektrický proud ve vodiči, který vytváří opačné magnetické pole. V dokonalém vodiči může být indukován libovolně velký proud a výsledné magnetické pole přesně zruší aplikované pole.

Meissnerův efekt se od toho liší, protože supravodič vypuzuje Všechno magnetická pole, nejen ta, která se mění. Předpokládejme, že máme materiál v normálním stavu, který obsahuje konstantní vnitřní magnetické pole. Když je materiál ochlazen pod kritickou teplotu, pozorovali bychom náhlé vypuzení vnitřního magnetického pole, což bychom na základě Lenzova zákona neočekávali.

Bratři vysvětlili Meissnerův efekt Fritz a Heinz London, který ukázal, že elektromagnetické energie zdarma v supravodiči je minimalizována za předpokladu

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

kde H je magnetické pole a λ je Londonova hloubka průniku.

Tato rovnice, která je známá jako Londonova rovnice, předpovídá, že magnetické pole v supravodiči se exponenciálně rozpadá z jakékoli hodnoty, kterou má na povrchu.

V roce 1962 byl zaveden první komerční supravodivý drát, a niob -titan slitina, byla vyvinuta vědci v Westinghouse, což umožňuje konstrukci prvního praktického supravodivé magnety. Ve stejném roce, Josephson učinil důležitou teoretickou předpověď, že nadproud může proudit mezi dvěma kusy supravodiče oddělenými tenkou vrstvou izolátoru.^[2] Tento jev, nyní nazývaný Josephsonův efekt, je využíván supravodivými zařízeními, jako je KAPALINY. Používá se při nejpřesnějších dostupných měřeních kvantový magnetický tok ${ displaystyle Phi _ {0} = { frac {h} {2e}}}$, a tedy (spolu s kvantový Hallův měrný odpor ) pro Planckova konstanta h. Josephson získal za tuto práci Nobelovu cenu v roce 1973.

Zákon o moci E – J

Nejpopulárnější model používaný k popisu supravodivost zahrnout Beanův model kritického stavu a variace, jako je model Kim – Anderson. Model Bean však předpokládá nulu odpor a ten proud je vždy indukován kritickým proudem. Užitečnější model pro inženýrství aplikací je takzvaný zákon o moci E – J, ve kterém pole a proud jsou spojeny následujícími rovnicemi:

${ displaystyle rho = { frac {dE} {dJ}} ,}$

${ displaystyle mathbf {E} = mathbf {E_ {0}} * vlevo ({ frac {J} {J_ {c}}} vpravo) ^ {n} ,}$

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

V těchto rovnicích, pokud n = 1, má vodič lineární měrný odpor jako je nalezen v měď. Čím vyšší je hodnota n, tím blíže se dostaneme k modelu kritického stavu. Také čím vyšší je n-hodnota, tím „lepší“ je supravodič jako nižší odpor při určitém proudu. Energetický zákon E – J lze použít k popisu jevu tečení toku, při kterém supravodič postupně ztrácí svůj magnetizace přesčas. Tento proces je logaritmický, a proto je stále pomalejší a nakonec vede k velmi stabilním polím.

Teorie

Potenciál supravodivých cívek a jednotlivých domén YBCO zpracovávaných v tavenině je velmi významný magnetické pole na kryogenní díky teplotám jsou obzvláště atraktivní pro různé technické aplikace včetně supravodivé magnety, magnetická ložiska a motory. Již bylo prokázáno, že velká pole lze získat v objemových vzorcích jedné domény při 77 K. Existuje řada možných aplikací při konstrukci elektrických motorů s vysokou hustotou výkonu.

Před vytvořením takových zařízení je třeba překonat zásadní problém. I když všechna tato zařízení používají supravodič v roli permanentního magnetu a přestože supravodič může zachytit potenciálně obrovská magnetická pole (větší než 10 T), problémem je indukce magnetických polí, to platí jak pro hromadné, tak pro cívky pracující v trvalém režimu. Existují čtyři možné známé metody:

1. Chlazení v terénu;
2. Chlazení nulového pole, následované pomalu aplikovaným polem;
3. Pulzní magnetizace;
4. Čerpání tavidla;

K magnetizaci lze použít kteroukoli z těchto metod supravodič a to lze provést buď in situ, nebo ex situ. V ideálním případě jsou supravodiče magnetizovány in situ.

Existuje několik důvodů: zaprvé, pokud supravodiče by měly být demagnetizovány prostřednictvím (i) tečení toku, (ii) opakovaně aplikovaného kolmo pole nebo (iii) ztrátou chlazení pak mohou být znovu magnetizovány bez nutnosti demontáže stroje. Zadruhé jsou potíže s manipulací s velmi silně magnetizovaným materiálem při kryogenní teploty při sestavování stroje. Za třetí, metody ex situ by vyžadovaly, aby byl stroj sestaven jak za studena, tak předmagnetizován, a nabídl by značné konstrukční potíže. Dokud nebude možné připravit supravodiče pro pokojovou teplotu, bude nejúčinnější konstrukcí stroje konstrukce, ve které je zahrnuto magnetické zařízení in situ!

První tři metody vyžadují solenoid, který lze zapnout a vypnout. V první metodě je potřebné aplikované magnetické pole rovné požadovanému magnetickému poli, zatímco druhý a třetí přístup vyžadují pole alespoň dvakrát větší. Konečná metoda však nabízí významné výhody, protože opakovaným použitím malého pole dosahuje konečného požadovaného pole a může využívat permanentní magnet.

Pokud si přejeme pulzovat pole pomocí, řekněme, 10 T magnetu k magnetizaci vzorku 30 mm × 10 mm, pak můžeme zjistit, jak velký musí být solenoid. Pokud by bylo možné navinout vhodnou cívku pomocí YBCO pak pásku, za předpokladu, že jsem^C 70 A a tloušťku 100 μm bychom měli 100 závitů a 7 000 závitů A. Tak by vzniklo pole B přibližně 7 000 / (20 × 10⁻³) × 4π × 10⁻⁷ = 0,4 T. K výrobě 10 T by bylo zapotřebí pulzování na 1 400 A! Alternativním výpočtem by bylo předpokládat J._C řekněme 5 × 10⁸Dopoledne⁻¹ a cívka 1 cm² v průřezu. Pole by pak bylo 5 × 10⁸ × 10⁻² × (2 × 4π × 10⁻⁷) = 10 T. Je zřejmé, že pokud magnetizační zařízení nezabírá více prostoru než samotný puk, bude vyžadován velmi vysoký aktivační proud a každé omezení činí z magnetizace in situ velmi obtížný návrh. Pro magnetizaci in situ je zapotřebí metoda magnetizace, při které je relativně malá pole řádu milliteslas opakovaně aplikovaný se používá k magnetizaci supravodič.

Aplikace

Supravodivé magnety jsou jedny z nejmocnějších elektromagnety známý. Používají se v MRI a NMR stroje, hmotnostní spektrometry Magnetohydrodynamické generování energie a magnety řízení paprsku používané v urychlovače částic. Mohou být také použity pro magnetická separace, kde jsou slabě magnetické částice extrahovány z pozadí méně nebo nemagnetických částic, jako v pigment průmyslová odvětví.

Vznikají další rané trhy, kde relativní účinnost, velikost a váha výhod zařízení založených na HTS převažují nad dalšími souvisejícími náklady.

Slibné budoucí aplikace zahrnují vysoký výkon transformátory, zařízení pro ukládání energie, přenos elektrické energie, elektromotory (např. pro pohon vozidla, jako v vactrains nebo vlaky maglev ), magnetická levitační zařízení, a omezovače poruchového proudu.

Reference

Zdroje

• Coombs, Timothy (2008). „Supravodiče nová generace permanentních magnetů“ (PDF). Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
• Qiuliang Wang et al., „Study of Full-wave Supravodivé usměrňovače typu flux-pump“, IEEE Transactions on Magnetics, sv. 32, č. 4, str. 2699–2 702, červenec 1996.
• Coombs, Timothy (2007). „Nový tepelný stroj pro magnetizaci supravodičů“ (PDF). Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
• Coombs, Timothy; Hong, Z; Zhu, X (2007). "Tepelně ovládané supravodivé čerpadlo toku". Physica C: Supravodivost. 468 (3): 153. Bibcode:2008PhyC..468..153C. doi:10.1016 / j.physc.2007.11.003.^{[mrtvý odkaz ]}
• L.J.M. van de Klundert a kol., „O plně vodivých usměrňovačích a indukčních čerpadlech. Přehled. Část 2: Režimy komutace, charakteristiky a spínače“, Cryogenics, str. 267–277, květen 1981.
• L.J.M. van de Klundert et al., „Plně supravodivé usměrňovače a čerpadla toku Část 1: Realizované metody pro čerpání toku“, Cryogenics, str. 195–206, duben 1981.
• Kleinert, Hagen, Gauge Fields in Condensed Matter, Sv. Já, “ SUPERFLOW A ŘADY VORTEX "; Poruchová pole, Fázové přechody, s. 1–742, World Scientific (Singapur, 1989); Brožura ISBN  9971-5-0210-0 (čitelné také online: Sv. Já )
• Larkin, Anatoly; Varlamov, Andrei, Teorie fluktuací v supravodičích, Oxford University Press, Oxford, Velká Británie, 2005 (ISBN  0-19-852815-9)
• A.G. Lebed (ed.) (2008). Fyzika organických supravodičů a vodičů (1. vyd.). Springer Series in Materials Science, sv. 110. ISBN  9783540766728.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
• Tinkham, Michael (2004). Úvod do supravodivosti (2. vyd.). Dover Knihy o fyzice. ISBN  0-486-43503-2.
• Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Moderní fyzika (4. vydání). W. H. Freeman. ISBN  0-7167-4345-0.

externí odkazy

• Nedávné publikace