Азот в сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости металлов – практического отсутствия электросопротивления при протекании электрического тока — позволяет значительно увеличить эффективность передачи электроэнергии, особенно на значительные расстояния. Трудность задачи заключается в том, что этого требуется реализация сверхнизких температур. При этом не обойтись без сравнительно дешёвого и эффективного катализатора рассматриваемого явления, которым является жидкий азот.

История развития и совершенствования процессов сверхпроводимости

При значительной номенклатуре веществ, пригодных для сверхпроводимости – на сегодняшний день их насчитывается несколько десятков – имеется весьма ограниченный круг газов, способных активизировать данный процесс.

Первые опыты по сверхпроводимости были проведены ещё в 1893 году физиком Камерлинг-Оннесом, причём голландец в своих опытах для охлаждения проводников использовал жидкий гелий. Использование столь экзотического газа было связано с тем, что сам автор первоначально применил жидкий гелий в качестве средства для изучения зависимости электросопротивления от температуры. В ходе экспериментов выяснилось, что сверхнизкие температуры вообще обеспечивают нулевое электросопротивление ртути, олова, свинца и ряда других металлов.

По мере изучения процессов сверхпроводимости было установлено, что применение жидкого гелия не очень удобно, поскольку этот газ в земных условиях в сколько-нибудь заметных количествах получать довольно сложно. Вдобавок и сама сверхпроводимость обеспечивалась при температурах лишь около -2700С. Таким образом, для производства и последующего сжижения гелия требовались гигантские энергозатраты, несоизмеримые с последующим снижением электрических потерь в цепи.

Неустанная работа специалистов в области криогеники привела к тому, что уже в конце ХХ века были открыты так называемое высокотемпературные сверхпроводники, обеспечивающие необходимый эффект при гораздо более высоких температурах. Например, некоторые сплавы на основе ниобия, германия, меди, и даже ряда оксиднокерамических веществ проявили свойство сверхпроводимости уже при -1960С. Поскольку в таком состоянии могут находиться уже значительно больше веществ, то и внедрение высокотемпературных проводников в практику оказалось значительно более доступным. На первое место в ряду охлаждающих сред вышел жидкий азот, температура сжижения которого составляет всего -195,750С.

Как применяется жидкий азот в процессах сверхпроводимости

По сравнению с жидким гелием сжиженный азот обладает следующими преимуществами:
1. Значительно меньшей стоимостью (примерно в 800 раз дешевле).
2. Меньшей сложностью транспортирования газа к потребителю.
3. Более простой и, следовательно, надёжной конструкцией ёмкостей, в которых выполняется перевозка.
4. Положительными особенностями некоторых теплофизических характеристик жидкого азота: в частности, его удельная теплота парообразования, по сравнению с гелием, значительно выше, поэтому для охлаждения одной и той же массы сверхпроводника потребуется значительно больший объём жидкого гелия.
5. Уменьшением сложности и стоимости требуемой для производства жидкого азота криогенной аппаратуры.

Разумеется, что научные разработки в этой области продолжаются. Поэтому не исключено, что класс сверхпроводников будет пополняться всё новыми и новыми веществами. Стратегическая цель исследований – получение сверхпроводников в условиях комнатных температур.

Наибольшее практическое применение получил метод использования жидкого азота по способу Мейснера. Жидкий азот (кстати, довольно безопасный в применении: его, например, можно хранить в обычном стеклянном термосе с открытой колбой) осторожно наливается в неглубокие кюветы, изготовленные из любого, инертного к низким температурам материала. Сверхпроводник размещают над кюветой с жидким азотом. Отсутствие реакции на магнитное поле приведёт к так называемой левитации сверхпроводника, при котором он зависает над ёмкостью. Включив сверхпроводник в замкнутую электрическую цепь, можно наблюдать наличие в ней электрического тока, со значением, падающим лишь по мере нагрева сверхпроводника, т.е. испарения жидкого азота. Эффект сверхпроводимости увеличивается, если сверхпроводник размещать непосредственно в парах жидкого азота.

Для стандартного сосуда Дьюара емкостью 40 л, который полностью заполнен жидким азотом, сверхпроводимость будет обеспечиваться в течение нескольких часов (длительность процесса определяется формой сверхпроводника).

Интересные факты практического применения сверхпроводимости с использованием жидкого азота:
• Охлаждаемые при помощи сжиженного азота сверхпроводники используются в качестве магнитной подвески экспериментальных скоростных поездов, при этом их скорость достигает уже 450…500 км/ч;
• Охлаждение сверхтонкой керамики сжиженным азотом приводит к полной перестройке её кристаллической структуры, при этом передача электрического тока производится не непрерывно, а порциями, с так называемой квантовой частотой;
• В Южной Корее строится первая в мире токопроводящая сеть на сверхпроводниках, охлаждаемых жидким азотом. Эта линия, протяжённостью около 20 км, будет соединять столицу страны – Сеул – с одним из её пригородов. Ожидается повышение мощности передачи электричества в 800 раз при тех же диаметрах поперечного сечения проводника;
• Наибольшую эффективность при сверхпроводимости с использованием жидкого азота выявляет трёхкомпонентный состав, включающий в себя иттрий, барий и оксид меди.

Компания «DP Air Gas», являясь ведущим производителем сжиженных газов по всей территории СНГ, обеспечивает производство, хранение и транспортирование продукции в любой географический пункт, указанный в договоре. Всё емкости и автотранспорт предприятия сертифицированы, и регулярно проходят высококвалифицированную проверку на соответствие нормам перевозки и хранения сжиженных веществ под давлением.

Продукция от «DP Air Gas» постоянно востребована фармацевтической, пищевой, газовой промышленностью и другими отраслями, поскольку отличается высокой стабильностью характеристик, а сроки поставки по контракту выполняются с требуемой точностью.