Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
якоре порядка 104 А/см2 генератор со сверхпроводящими обмотками будет
иметь мощность на два порядка большую, чем обычный генератор тех же
размеров. В настоящее время работы в указанном направлении ведутся весьма
интенсивно в различных странах.
В энергетике в последнее время рассматриваются проекты создания крупных
сверхпроводящих соленоидов, работающих в режиме накопителей энергии и
предназначенных для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах и для
аварийного снабжения электроэнергией. В {JI. 1-9 и 1-10] показано, что
сверхпроводящие соленоиды оказываются для этих целей более рентабельными,
9
чём аккумуляторы энергии других типов. Ё этом направлении ведутся
проектные разработки. В частности, в [Л. 1-10] описан проект
сверхпроводящего накопителя на энергию 1013 Дж. Небольшие модельные
сверхпроводящие накопители уже изготовлены и успешно испытаны в ряде
стран. Ведутся также работы .по созданию сверхпроводящих накопителей,
предназначенных для использования в качестве источников коротких мощных
импульсов энергии.
Таким образом, сверхпроводящие магнитные системы различного назначения в
настоящее время широко внедряются в технику (подробные обзоры работ в
этой области см. в ]Л. 1-11, 1-12]). Поэтому важной задачей является
обеспечение условий надежной, безаварийной работы таких систем.
Глава вторая
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ
2-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Как известно, сверхпроводимостью называется особое физическое состояние
некоторых чистых металлов и сплавов, при котором электрическое
сопротивление металла (или сплава) равно нулю; вещества, у которых
наблюдается сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.
Переход сверхпроводника из нормального состояния, характеризующегося
определенным значением удельного электрического сопротивления, в
сверхпроводящее состояние происходит при охлаждении ниже определенной,
критической, температуры Тсо=Тс\В) при В=0, где В- индукция магнитного
поля. Для разных сверхпроводников Тс имеет различные значения;
критические температуры известных сверхпроводников лежат в интервале от
0,012 К (вольфрам) примерно до 20,5 К (твердый раствор Nb3Al-Nb3Ge). При
критической температуре электрическое сопротивление сверхпроводника резко
уменьшается от некоторой конечной величины до нуля. Равенство нулю
сопротивления является важнейшей характеристикой сверхпроводящего
состояния.
Вторая фундаментальная особенность сверхпроводящего состояния (эффект
Мейсснера) состоит в том, что
10
внешнее магнитное поле не проникает внутрь сверхпроводника, находящегося
в сверхпроводящем состоянии. Следовательно, можно считать, что для
сверхпроводника в сверхпроводящем состоянии магнитная проницаемость р
равна нулю; иными словами, такой проводник является идеальным
диамагнетиком.
Внешнее магнитное поле уменьшается до нуля в тонком слое у поверхности
сверхпроводника. Уравнения макроскопической электродинамики
сверхпроводников (уравнения Ф. и Г. Лондонов) приводят к следующему
соотношению для магнитной индукции в сверхпроводнике, занимающем
полупространство х>0 [Л. 2-1]:
В(х) = В(0)*Г*Д, (2-1)
где х - расстояние по нормали от поверхности сверхпроводника; X -
лондонов'ская глубина' проникновения.
Для обычных плотностей электронов см; для
некоторых сверхпроводников (таких, как сплав Nb-Zr н интерметаллические
соединения Nb3Sn и VsGa) Я достигает 2 • 10-5 см. В поверхностном слое
сверхпроводника текут незатухающие токи сверхпроводимости, среднее поле
которых компенсирует внешнее магнитное поле, не позволяя ему проникнуть в
толщу сверхпроводника. Из первого уравнения Максвелла следует, что ток
может протекать только в поверхностном слое сверхпроводника- там, где
дВ/дхФО.
Если на сверхпроводник, находящийся в сверхпроводящем состоянии (т. в-.
при Т<ТС), наложить достаточно сильное внешнее магнитное поле, то
сверхпроводимость разрушится, т. е. магнитное поле проникнет внутрь
сверхпроводника и он перейдет в нормальное состояние (несмотря на то, что
Т<ТС). Чем ниже температура сверхпроводника, тем большее магнитное поле
требуется для разрушения сверхпроводимости. Это магнитное поле называется
критическим, его индукция обозначается Вс *.
* Определение критического магнитного поля через индукцию поля Вс, а не
через напряженность Нс проводится здесь в целях единообразия.
Поскольку в большинстве случаев сверхпроводник можно считать окруженным
немагнитной средой, такая замена носит условный характер.
Следует помнить, что в некоторых случаях, например в случае
сверхпроводника, окруженного магнетиком, переход будет происходить не при
достижении критической индукции в магнетике, а при достижения
критического значения напряженности родя Вс-
П
Зависимость Вс от Г для большинства проводников имеет примерно
параболический характер и хорошо описывается эмпирическим соотношением
ЯС(Г) = Я0[1- (4г)2]' (2'2)
где В0 - критическая индукция магнитного поля при Г=0 К (определяется
