3.8.3. Сопротивление однородного проводника. Сверхпроводимость

Электрическое сопротивление - величина, характеризующая противодействие электрической цепи (ее участка) электрическому току. Измеряется сопротивление в омах. Электрическое сопротивление обусловлено передачей или преобразованием электрической энергии в другие виды. При необратимом преобразовании энергии, например, в тепловую, сопротивление называется активным. Электрическое сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно), называется реактивным сопротивлением. В дальнейшем изложении материала электрическое сопротивление будем называть сопро­тивлением.

Сопротивление однородного металлического проводника выражается формулой R =,где — удельное сопротивление при t = 0; l – длина проводника; S - площадь поперечного сечения; а - температур­ный коэффициент, для металлов а =;t - температура по шкале Цельсия. Введем обозначение R₀ = ,тогда R = R₀(1+at). Далее заменим температурный коэффициент его значением и получим:. Из полученного выражения видно, что сопротивление металлических проводников пропорционально

абсолютной температуре. Представим эту зависимость графически на рис. 3.

Т_к

Рис.3

Оказывается, при температурах, близких к абсолютному нулю, зависимость не отражает истинного положения. При этих температурах сопротивление ряда проводников резко уменьшается до нуля. Впервые это явление наблюдал в 1911 г. Камерлинг-Оннес на ртути и назвал его сверхпроводимостью. Критические температуры, при которых сопротивление ряда проводников уменьшается до нуля, характеризуется следующими значениями:T= 4,12 К; Трв = 7,26 К; T_Sn=3,69K.

Теоретическое объяснение разработано в 1958 году советским физиком Н. Н. Боголюбовым. В настоящее время открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости.

3.8.4. Высокотемпературная сверхпроводимость

Начиная с 1911 по 1986 год, проводились исследования явления сверхпроводимости, однако, существенно повысить температуру перехода вещества в сверхпроводящее состояние (более 20 К) не удалось. И вот в конце 1986 года исследователям из Швейцарии и США удалось значительно продвинуться в этом направлении. Ими были получены сверхпроводящие керамические оксидные образцы сразу нескольких составов.

(LBC) и

где X = 0,150,2; У — различный и порой неопределенный.

Основные результаты опубликованных работ заключались в том, что во всех образцах указанных составов наблюдался сверхпроводящий переход при Т_к =>70 К. В феврале 1987 года исследователям из Хьюстонского университета в США удалось повысить температуру сверхпроводящего перехода до Т_к - 100 К путем замены в (LBC) La на иттрий. В 1988 году появились публикации, что на составах типа Т1Са_уВаСиО_х температура перехода поднялась до 162 К. И, несмотря на то, что пока нет разработанной теории явления, а лишь высказано ряд гипотез, прорыв в до сих пор недоступную для сверхпроводимости область темпера­тур уже состоялся и это явление получило название высокотемпературной сверхпроводимости.

Сверхпроводимость входит в технику не так быстро, но возможности ее действительно заманчивы. Достаточно вспомнить подземные линии электропередачи с ничтожно малыми потерями энергии. Что же касается сверхпроводящего кабеля, то в качестве проводников в нем уже применяются ленты из керамического композита, содержащего высокотемпературный сверхпроводящий висмут и серебро. Полости их труб заполняются жидким азотом, что требует компрессоров (для сжижения азота) в конечных пунктах. И все же новые кабели, по мнению специалистов, гораздо эффективнее обычных и, кроме того, занимают много меньшее подземное пространство. Для крупных городов, а тем более мегаполисов, это весьма существенно. Увеличение пропускной способности городских силовых кабелей и снижение потерь в них - проблема, которая встает уже в настоящее время и использование сверхпроводящих кабелей -один из магистральных путей ее решения.

Примеры использования сверхпроводящей электротехники многогранны: это и скоростной монорельсовый транспорт, компактные накопители энергии, мощнейшие электродвигатели и многое другое, не говоря уже о том, что термоядерная проблема и магнитогидродинамическое (МГД) преобразование энергии практически осуществимы лишь с применением сверхпроводников. В последнее время сверхпроводящие магниты стали широко использоваться в ускорительной технике и в быстро завоевавшей популярность ЯМР-томографии. Одним словом, сегодня сверх­проводимость — это целый мир, насыщенный красивыми физическими эффектами и техническими приложениями. Высокотемпературная проводимость способна радикально преобразовать технику и энергетику, а значит, и экономику.