Сверхпроводимость с помощью гелия

Современному миру требуется все больше гелия. Казалось бы, инертный газ, зачем он нужен в таком количестве? На самом деле, областей применения этого вещества очень много. А с тех пор как было открыто и объяснено удивительное явление – сверхпроводимость, гелий стал еще более востребован.

Открытие возможности сжижения газов, охлаждения до сверхнизких температур разных веществ послужило основой открытию сверхпроводимости. Еще в 1893 году в Голландии физик Хейке Камерлинг-Оннес заинтересовался сверхнизкими температурами. 10 июня 1908 году в своей наиболее передовой на то время криогенной лаборатории он получил жидкий гелий.

Особенно интересным в ряде последовавших за этим экспериментов представлялось изучение того, как меняется электрическое сопротивление металлов в зависимости от их охлаждения. Теории, предшествовавшие исследованиям, давали разные прогнозы того, как именно это должно происходить. Некоторым ученым казалось, что «замерзшие» электроны остановятся, полностью прекратив проводить электрический ток. Большинство ученых предполагали, что сопротивление должно падать. Высказывались мнение, что оно должно понижаться скачками. Основной теорией, набравшей больше всего сторонников, была идея медленного понижения сопротивления.

Сначала все происходящее полностью подтверждало прогнозы большинства теоретиков. С падением температуры плавно снижалось сопротивление электрическому току. Неожиданным явлением стало то, что в охлажденной в жидком гелии ртути достигшей температурной отметки в 4,15 — 4,2 Кельвина полностью исчезло сопротивление. База теоретических знаний, накопленных к тому моменту, не могла объяснить этого эффекта. После нескольких общих теорий на микроскопическом уровне сверхпроводимость была объяснена только в 1957 году.

Как сейчас используют гелий для сверхпроводимости

Сверхсильные постоянные магниты

Соленоиды, чье действие основано на явлении сверхпроводимости, отличаются более компактными размерами от обычных электромагнитов. Поскольку ток в них не затухает, они не нуждаются в постоянном источнике питания. Это позволяет экономить тысячи киловатт электроэнергии. Вопрос охлаждения решается тем, что такой магнит должен постоянно находиться в криостате, заполненном жидким гелием. Благодаря продуманной конструкции современных магнитов, поддержание вокруг них низких температур стало относительно несложным делом.

Без сверхпроводниковых магнитов, охлаждаемых жидким гелием, была бы невозможной постройка такого научного оборудования как, например, устройства семейства «Токамак», которыми пользуются для получения и изучения плазмы. В работе знаменитого на весь мир самого крупного на планете научного прибора — большого адронного коллайдера тоже задействована сверхпроводимость. С помощью исследований, произведенных на этих приборах, было сделано много открытий из области фундаментальной физики.

Более прикладное значение имеют сверхпроводящие магниты, применяемые в магнитно-резонансной томографии. Используя традиционные методы диагностики очень трудно рассмотреть мягкие ткани человеческого тела. Применение этого аппарата позволяет исследовать практически любые мягкие ткани, получая при этом контрастное послойное их изображение. Вовремя заметив патологию, развивающуюся в организме, можно спасти человеческую жизнь. И эти приборы обязаны своей бесперебойной работой жидкому гелию.

Кабели, передающие энергию

Современный мир, потребляющий все больше энергии, требует и все более совершенной техники для ее передачи. Сверхпроводящий кабель способен при очень малом сечении пропускать примерно в десять раз больше энергии, чем его медный аналог. Это окупает затраты на достаточно сложную изоляцию сверхпроводника от тепла, поступающего снаружи. Такой кабель представляет собой длинную многослойную трубу, своего рода криостат. Внутренняя поверхность трубы, по которой под давлением подается жидкий гелий, покрывается сверхпроводящим материалом. В свою очередь эта труба заключена в другую, обеспечивающую вакуумную изоляцию. Охватывающая их третья труба удерживает омывающий вторую трубу жидкий азот. Все это заключено в четвертую трубу, создающую дополнительную вакуумную изоляцию.

Сверхпроводящие измерители и датчики

Наука и техника всегда стремится к проведению все более точных измерений.
Наблюдение за изменением поведения сверхпроводника в момент, когда он переходит в состояние сверхпроводимости, позволило сконструировать новые высокоточные измерительные приборы. В основном они предназначены для измерения магнитных полей, токов и температур.

Магнитоходы и магнитопланы

Благодаря сверхпроводимости появились удивительные скоростные поезда без тряски и шума «летящие» над дорогой на магнитной «подушке» со скоростью 500 километров в час. Удобный и очень быстрый – этот вид транспорта становится все более распространенным на дорогах всего мира. Именно достаточно небольшие по габаритам сверхпроводящие электромагниты, устанавливаемые в поездах, сделали возможным воплощение этой идеи.

Расположенные в днище вагонов магниты до нужных для их работы температур охлаждают жидким гелием. Для защиты пассажиров от мощного магнитного излучения используются специальные металлические экраны. Убирающиеся и выдвигающиеся в нужный момент резиновые колеса нужны чтобы разогнать или затормозить такой поезд. В рельсах, представляющих собой алюминиевые полосы создаются вихревые токи. Согласно правилу Ленца возникает магнитное поле, встречное породившему его полю магнитов, размещенных в поезде и сила отталкивания этих полей приподнимает поезд. Третий рельс, проложенный между двумя алюминиевыми полосами необходим для движения вагонов, смещение токов движет их за собой. В результате, поезд, выступая в роли ротора вместе с дорогой, служащей статором представляет собой так называемый «линейный двигатель».

Плюсы использования гелия в сверхпроводимости

С помощью жидкого гелия появилась возможность очень глубокого охлаждения различных веществ, что и привело к открытию сверхпроводимости. И сейчас жидкий гелий обеспечивает стабильное охлаждение, а значит и бесперебойную работу всевозможных аппаратов, работающих благодаря явлению сверхпроводимости.

Интересные факты

Человечество постоянно находится в непрекращающемся поиске неисчерпаемых источников энергии. Одним из решений этой проблемы, по мнению ученых, может стать термоядерная энергетика. Например, синтез ядер гелия из такого количества ядер дейтерия, которое находится в одном литре воды, может дать количество энергии равное энергии сжигания 350 литров бензина.

Управляемый термоядерный синтез представляется возможным только при участии сверхпроводящих магнитов. С их помощью создается и удерживается в реакционной камере из магнитных полей плазма, состоящая из возбужденных электронов и заряженных ядер атомов, лишившихся своих оболочек. Только в этих условиях при соударении ядра легких атомов не разлетятся, а сольются в новое ядро, высвобождая энергию.

Жидкий и газообразный гелий можно приобрести в Компании «DP Air Gas», являющейся крупнейшим поставщиком промышленных газов в Украине. «DP Air Gas» осуществляет реализацию разнообразных технических газов и смесей промышленных газов, имеющих различное назначение. Компанией осуществляется своевременная бесперебойная доставка газов по всей территории страны. Самый полный перечень товаров и услуг, предоставляемых этой Компанией, находится здесь.