Прокачка флюса - Flux pumping

Прокачка флюса это метод для намагничивание сверхпроводники к поля более 15 теслас.^{[нужна цитата ]} Метод применим к любому сверхпроводник II типа и использует фундаментальное свойство сверхпроводников, а именно их способность поддерживать и поддерживать токи в масштабе длины сверхпроводник. Обычные магнитные материалы намагничиваются в молекулярном масштабе, что означает, что сверхпроводники могут поддерживать плотность потока на порядки больше, чем обычные материалы. Накачка потока особенно важна, если принять во внимание, что все другие методы намагничивания сверхпроводники требуют приложения плотности магнитного потока не ниже конечного требуемого поля. Это не относится к накачке потока.

An электрический ток протекание в петле из сверхпроводящего провода может продолжаться бесконечно без источника питания. В нормальном проводнике электрический ток можно представить как жидкость электроны движение по тяжелому ионный решетка. Электроны постоянно сталкиваются с ионами в решетке, и во время каждого столкновения некоторые из энергия переносимый током поглощается решеткой и превращается в высокая температура, который по сути является колебательным кинетическая энергия решетки ионов. В результате энергия, переносимая током, постоянно рассеивается. Это феномен электрическое сопротивление.

Иная ситуация в сверхпроводнике. В обычном сверхпроводнике электронная жидкость не может быть разделена на отдельные электроны. Вместо этого он состоит из связанных пары электронов, известных как Куперовские пары. Это спаривание вызвано силой притяжения между электронами при обмене электронами. фононы. Из-за квантовая механика, то энергетический спектр жидкости этой пары Купера обладает энергетический разрыв, что означает минимальное количество энергии ΔE который должен подаваться для возбуждения жидкости. Следовательно, если ΔE больше, чем тепловая энергия решетки, задаваемой kT, куда k является Постоянная Больцмана и Т это температура, жидкость не будет рассеиваться решеткой. Таким образом, жидкость пары Купера представляет собой сверхтекучий, что означает, что он может течь без рассеивания энергии.

В классе сверхпроводников, известных как сверхпроводники II типа, включая все известные высокотемпературные сверхпроводники, чрезвычайно малая величина удельного сопротивления появляется при температурах, не намного ниже номинального сверхпроводящего перехода, когда электрический ток применяется в сочетании с сильным магнитным полем, которое может быть вызвано электрическим током. Это происходит из-за движения вихрей в электронной сверхтекучей жидкости, которая рассеивает часть энергии, переносимой током. Если ток достаточно мал, то вихри стационарны, и сопротивление обращается в нуль. Сопротивление из-за этого эффекта крошечное по сравнению с сопротивлением несверхпроводящих материалов, но его необходимо учитывать в чувствительных экспериментах.

Вступление

В методе, описанном здесь, магнитное поле проходит через сверхпроводник в магнитной волне. Это поле индуцирует Текущий в соответствии с Закон индукции Фарадея. Пока направление движения магнитной волны остается постоянным, индуцированный ток всегда будет в одном и том же смысле, и последовательные волны будут вызывать все больше и больше. Текущий.

Традиционно магнитная волна генерировалась либо путем физического перемещения магнит или расположением катушек, переключаемых последовательно, как это происходит на статоре трехфазного двигателя. Накачка потока - 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. Насос сверхпроводящего потока не следует путать с классическим насосом потока, описанным в Ван Клундерт и др.^[1] рассмотрение.

Описанный здесь метод имеет две уникальные особенности:

Ни в коем случае сверхпроводник ездили нормально; процедура просто вносит изменения в критическое состояние.
Критическое состояние не изменяется движущимся магнитом или массивом соленоиды, но тепловым импульсом, который изменяет намагниченность, таким образом вихри в материал.

Система, как описано, на самом деле представляет собой новый вид теплового двигателя, в котором тепловая энергия превращается в магнитная энергия.

Фон

Эффект Мейснера

Постоянный электрический ток течет по поверхности сверхпроводника, исключая магнитное поле магнита. Этот ток эффективно формирует электромагнит, который отталкивает магнит.

Когда сверхпроводник помещен в слабый внешний магнитное поле ЧАС, поле проникает в сверхпроводник лишь на небольшое расстояние λ, называется Лондонская глубина проникновения, экспоненциально затухая до нуля внутри материала. Это называется Эффект Мейснера, и является определяющей характеристикой сверхпроводимости. Для большинства сверхпроводников лондонская глубина проникновения составляет порядка 100 нм.

Эффект Мейснера иногда путают с диамагнетизм можно ожидать от идеального электрического проводника: согласно Закон Ленца, когда изменение Магнитное поле применяется к проводнику, оно индуцирует электрический ток в проводнике, который создает противоположное магнитное поле. В идеальном проводнике может быть индуцирован сколь угодно большой ток, и результирующее магнитное поле точно нейтрализует приложенное поле.

Эффект Мейснера отличается от этого тем, что сверхпроводник вытесняет все магнитные поля, а не только те, которые меняются. 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 ожидали бы, исходя из закона Ленца.

Братья объяснили эффект Мейснера. Фриц и Хайнц Лондон, который показал, что электромагнитный свободная энергия в сверхпроводнике сводится к минимуму при условии

{ Displaystyle nabla ^ {2} mathbf {H} = lambda ^ {- 2} mathbf {H} ,}

куда ЧАС - магнитное поле, λ - лондонская глубина проникновения.

Это уравнение, известное как Уравнение Лондона, предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике распадается экспоненциально от той ценности, которой он обладает на поверхности.

В 1962 году был выпущен первый промышленный сверхпроводящий провод. ниобий -титан сплава, был разработан исследователями Westinghouse, позволяя построить первые практические сверхпроводящие магниты. В том же году, Джозефсон сделал важное теоретическое предсказание, что сверхток может протекать между двумя частями сверхпроводника, разделенными тонким слоем изолятора.^[2] Это явление, теперь называемое Эффект джозефсона, используется сверхпроводящими устройствами, такими как Кальмары. Он используется для наиболее точных доступных измерений квант магнитного потока ${ displaystyle Phi _ {0} = { frac {h} {2e}}}$ , и, таким образом (вместе с квантовое сопротивление Холла ) за Постоянная Планка час. Джозефсон был удостоен Нобелевской премии за эту работу в 1973 году.

E – J степенной закон

Самая популярная модель для описания сверхпроводимость включают Модель критического состояния Бина и такие варианты, как модель Кима – Андерсона. Однако модель Бина предполагает нулевое удельное сопротивление и этот ток всегда индуцируется при критическом токе. Более полезная модель для инженерное дело приложений - это так называемый степенной закон E – J, в котором поле и Текущий связаны следующими уравнениями:

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

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

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

В этих уравнениях при n = 1 проводник имеет линейное сопротивление например, что находится в медь. Чем выше значение n, тем ближе мы подходим к модели критического состояния. Кроме того, чем выше значение n, тем «лучше» сверхпроводник чем меньше удельное сопротивление при определенном токе. Степенной закон E – J можно использовать для описания явления крипа потока, при котором сверхпроводник постепенно теряет свою намагничивание через некоторое время. Этот процесс является логарифмическим и, следовательно, становится все медленнее и медленнее и в конечном итоге приводит к очень стабильным полям.

Теория

Потенциал сверхпроводящих катушек и одиночных доменов YBCO, обработанных в расплаве, по поддержанию значительного магнитные поля в криогенный температуры делают их особенно привлекательными для различных инженерных приложений, включая сверхпроводящие магниты, магнитные подшипники и двигатели. Уже было показано, что большие поля могут быть получены в массивных однодоменных образцах при 77 К. Диапазон возможных применений существует при разработке электродвигателей с высокой удельной мощностью.

Прежде чем можно будет создать такие устройства, 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 объему, так и к катушки, работающие в постоянном режиме. Есть четыре возможных известных метода:

Охлаждение в поле;
Охлаждение нулевого поля с последующим медленным приложением поля;
Импульсное намагничивание;
Перекачка флюса;

Любой из этих методов можно использовать для намагничивания сверхпроводник и это может быть сделано либо in situ, либо ex situ. В идеале сверхпроводники намагничиваются на месте.

Для этого есть несколько причин: во-первых, если сверхпроводники должен размагнититься из-за (i) ползучести магнитного потока, (ii) многократно применяемых перпендикулярных поля или (iii) из-за потери охлаждения они могут быть повторно намагничены без необходимости разбирать машину. Во-вторых, возникают трудности с обращением с очень сильно намагниченным материалом при криогенный температуры при сборке машины. В-третьих, методы ex-situ потребуют сборки машины как в холодном состоянии, так и предварительно намагниченной, и будут создавать значительные трудности при проектировании. До тех пор, пока не будут изготовлены сверхпроводники при комнатной температуре, наиболее эффективная конструкция машины будет такая, в которой имеется приспособление для 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, в то время как второй и третий подходы требуют полей, по крайней мере, в два раза больше. Последний метод, однако, предлагает значительные преимущества, поскольку он обеспечивает окончательное требуемое поле путем многократного применения небольшого поля и может использовать постоянный магнит.

Если мы хотим создать импульсное поле, используя, скажем, магнит 10 Тл для намагничивания образца размером 30 мм × 10 мм, то мы можем вычислить, насколько большим должен быть соленоид. Если бы можно было намотать соответствующую катушку, используя YBCO лента тогда, предполагая, что я^c 70 А и толщиной 100 мкм у нас будет 100 витков и 7 000 витков. Это даст поле B приблизительно 7000 / (20 × 10⁻³) × 4π × 10⁻⁷ = 0,4 Тл. Для выработки 10 Тл потребуются импульсы до 1 400 А! Альтернативным расчетом было бы предположить, что J_c скажем 5 × 10⁸Являюсь⁻¹ и катушка 1 см² в поперечном сечении. Тогда поле будет 5 × 10⁸ × 10⁻² × (2 × 4π × 10⁻⁷) = 10 T. 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 in situ очень трудным предложением. Что требуется для намагничивания на месте, так это метод намагничивания, в котором относительно небольшой поле порядка Миллитеслас многократно применяется для намагничивания сверхпроводник.

Приложения

Сверхпроводящие магниты одни из самых мощных электромагниты известен. Они используются в МРТ и ЯМР машины, масс-спектрометры, Магнитогидродинамическое производство энергии и магниты для управления лучом, используемые в ускорители частиц. Их также можно использовать для магнитная сепарация, где слабомагнитные частицы извлекаются из фона меньших или немагнитных частиц, как в пигмент отрасли.

Возникают и другие ранние рынки, на которых преимущества относительно эффективности, размера и веса устройств на основе HTS перевешивают связанные с этим дополнительные затраты.

Многообещающие будущие приложения включают высокопроизводительные трансформаторы, устройства накопления энергии, передача электроэнергии, электродвигатели (например, для двигателя транспортного средства, как в вактрена или же поезда на магнитной подвеске ), устройства магнитной левитации, и ограничители тока повреждения.

Источники

Кумбс, Тимоти (2008). «Сверхпроводники - новое поколение постоянных магнитов» (PDF). Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
Цюлян Ван и др., "Исследование двухполупериодных сверхпроводящих насосов типа выпрямителя", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 32, No. 4, pp. 2699–2702, июль 1996 г.
Кумбс, Тимоти (2007). «Новый тепловой двигатель для намагничивания сверхпроводников» (PDF). Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
Кумбс, Тимоти; Hong, Z; Чжу, X (2007). «Насос сверхпроводящего потока с термическим приводом». Physica C: сверхпроводимость. 468 (3): 153. Bibcode:2008PhyC..468..153C. Дои:10.1016 / j.physc.2007.11.003.^{[мертвая ссылка ]}
L.J.M. ван де Клундерт и др., «О полностью проводящих выпрямителях и насосах. Обзор. Часть 2: Режимы коммутации, характеристики и переключатели», Cryogenics, стр. 267–277, май 1981.
L.J.M. ван де Клундерт и др., "Полностью сверхпроводящие выпрямители и насосы потока. Часть 1: Реализованные методы накачки потока", Cryogenics, pp. 195–206, апрель 1981.
Кляйнерт, Хаген, Калибровочные поля в конденсированных средах, Vol. Я " СУПЕРПОТОК И Вихревые линии "; Поля беспорядка, Фазовые переходы, стр. 1–742, World Scientific (Сингапур, 1989 г.); Мягкая обложка ISBN 9971-5-0210-0 (также можно прочитать в Интернете: Vol. я )
Ларкин Анатолий; Варламов Андрей, Теория флуктуаций в сверхпроводниках., Oxford University Press, Оксфорд, Соединенное Королевство, 2005 г.ISBN 0-19-852815-9)
Лебедь А.Г. (Ред.) (2008). Физика органических сверхпроводников и проводников (1-е изд.). Серия Спрингера по материаловедению, Vol. 110. ISBN 9783540766728.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
Тинкхэм, Майкл (2004). Введение в сверхпроводимость (2-е изд.). Дуврские книги по физике. ISBN 0-486-43503-2.
Типлер, Пол; Ллевеллин, Ральф (2002). Современная физика (4-е изд.). В. Х. Фриман. ISBN 0-7167-4345-0.

внешняя ссылка

Последние публикации

[1] L.J.M. ван де Клундерт; и другие. (1981). «О полнопроводящих выпрямителях и насосах. Обзор. Часть 2: Режимы коммутации, характеристики и переключатели». Криогеника: 267–277.

[2] B.D. Джозефсон (1962). «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании». Phys. Латыш. 1 (7): 251–253. Bibcode:1962ФЛ ..... 1..251Дж. Дои:10.1016/0031-9163(62)91369-0.

[1]

[2]