Сучасному світу потрібно все більше гелію. Здавалося б, інертний газ, навіщо він потрібний у такій кількості?
Насправді, областей застосування цієї речовини дуже багато. А відколи було відкрито та пояснено дивовижне явище – надпровідність, гелій став ще більш затребуваним.
Відкриття можливості зрідження газів, охолодження до наднизьких температур різних речовин стало основою відкриття надпровідності. Ще 1893 року у Голландії фізик Хейке Камерлінг-Оннес зацікавився наднизькими температурами. 10 червня 1908 року в своїй найбільш передовій на той час кріогенній лабораторії він отримав рідкий гелій.
Особливо цікавим у низці експериментів, що послідували за цим, представлялося вивчення того, як змінюється електричний опір металів залежно від їх охолодження. Теорії, які передували дослідженням, давали різні прогнози того, як саме це має відбуватися. Деяким ученим здавалося, що електрони, що «замерзли», зупиняться, повністю припинивши проводити електричний струм. Більшість вчених припускали, що опір має падати. Висловлювалися думка, що вона має знижуватися стрибками. Основною теорією, що набрала найбільше прихильників, була ідея повільного зниження опору.
Спочатку все, що відбувається, повністю підтверджувало прогнози більшості теоретиків. З падінням температури плавно знижувався опір електричного струму. Несподіваним явищем стало те, що охолоджена в рідкому гелії ртуті досягла температурної позначки в 4,15 – 4,2 Кельвіна повністю зник опір. База теоретичних знань, накопичених на той час, не могла пояснити цього ефекту. Після кількох загальних теорій на мікроскопічному рівні надпровідність була пояснена лише 1957 року.
Як зараз використовують гелій для надпровідності
Надсильні постійні магніти
Соленоїди, чия дія заснована на явищі надпровідності, відрізняються компактнішими розмірами від звичайних електромагнітів. Оскільки струм у них не згасає, вони не потребують постійного джерела живлення. Це дозволяє заощаджувати тисячі кіловат електроенергії. Питання охолодження вирішується тим, що такий магніт повинен постійно перебувати в кріостаті, заповненому рідким гелієм. Завдяки продуманій конструкції сучасних магнітів, підтримка довкола них низьких температур стала відносно нескладною справою.
Без надпровідникових магнітів, що охолоджуються рідким гелієм, було б неможливим будівництво такого наукового обладнання як, наприклад, пристрої сімейства «Токамак», якими користуються для отримання та вивчення плазми. У роботі знаменитого на весь світ найбільшого на планеті наукового приладу – великого адронного колайдера також задіяна надпровідність. За допомогою досліджень, зроблених на цих приладах, було зроблено багато відкриттів в галузі фундаментальної фізики.
Більш прикладне значення мають надпровідні магніти, які застосовуються в магнітно-резонансної томографії. Використовуючи традиційні методи діагностики, дуже важко розглянути м’які тканини людського тіла. Застосування цього апарату дозволяє досліджувати практично будь-які м’які тканини, отримуючи при цьому контрастне їх пошарове зображення. Вчасно помітивши патологію, що розвивається в організмі, можна врятувати людське життя. І ці прилади завдячують своєю безперебійною роботою рідкому гелію.
Кабелі, що передають енергію
Сучасний світ, що споживає дедалі більше енергії, вимагає і більш досконалої техніки її передачі. Надпровідний кабель здатний при дуже малому перерізі пропускати приблизно в десять разів більше енергії, ніж його мідний аналог. Це окупає витрати на досить складну ізоляцію надпровідника від тепла, що надходить ззовні. Такий кабель є довгою багатошаровою трубою, свого роду кріостатом. Внутрішня поверхня труби, якою під тиском подається рідкий гелій, покривається надпровідним матеріалом. У свою чергу, ця труба укладена в іншу, що забезпечує вакуумну ізоляцію. Третя труба, що їх охоплює, утримує рідкий азот, що омиває другу трубу. Все це укладено у четверту трубу, що створює додаткову вакуумну ізоляцію.
Надпровідні вимірювачі та датчики
Наука та техніка завжди прагне до проведення більш точних вимірів.
Спостереження за зміною поведінки надпровідника в момент, коли він переходить у стан надпровідності, дозволило сформулювати нові високоточні вимірювальні прилади. В основному вони призначені для вимірювання магнітних полів, струмів та температур.
Магнітоходи та магнітоплани
Завдяки надпровідності з’явилися дивовижні швидкісні поїзди без трясіння і шуму, що «літають» над дорогою на магнітній «подушці» зі швидкістю 500 кілометрів на годину. Зручний та дуже швидкий – цей вид транспорту стає все більш поширеним на дорогах усього світу. Саме досить невеликі за габаритами надпровідні електромагніти, що встановлюються в поїздах, уможливили втілення цієї ідеї.
Розташовані в днищі вагонів магніти до необхідних їх роботи температур охолоджують рідким гелієм. Для захисту пасажирів від потужного магнітного випромінювання використовують спеціальні металеві екрани. Гумові колеса, що забираються і висуваються в потрібний момент, потрібні щоб розігнати або загальмувати такий поїзд. У рейках, що являють собою алюмінієві смуги, створюються вихрові струми. Згідно з правилом Ленца виникає магнітне поле, зустрічне магнітів, що породило його полю, розміщених у поїзді і сила відштовхування цих полів піднімає поїзд. Третя рейка, прокладена між двома алюмінієвими смугами необхідна руху вагонів, зміщення струмів рухає їх у себе. В результаті, поїзд, виступаючи в ролі ротора разом із дорогою, що служить статором є так званим «лінійним двигуном».
Плюси використання гелію у надпровідності
За допомогою рідкого гелію з’явилася можливість дуже глибокого охолодження різних речовин, що призвело до відкриття надпровідності. І зараз рідкий гелій забезпечує стабільне охолодження, а отже, і безперебійну роботу всіляких апаратів, що працюють завдяки явищу надпровідності.
Цікаві факти
Людство постійно перебуває у пошуку безперервних джерел енергії. Одним із вирішень цієї проблеми, на думку вчених, може стати термоядерна енергетика. Наприклад, синтез ядер гелію з такої кількості ядер дейтерію, що знаходиться в одному літрі води, може дати кількість енергії, що дорівнює енергії спалювання 350 літрів бензину.
Керований термоядерний синтез є можливим лише за участю надпровідних магнітів. З їх допомогою створюється і утримується в реакційній камері з магнітних полів плазма, що складається з збуджених електронів і заряджених ядер атомів, які втратили свої оболонки. Тільки в цих умовах при зіткненні ядра легких атомів не розлетяться, а зіллються в нове ядро, вивільняючи енергію.
Рідкий та газоподібний гелій можна придбати в компанії «DP Air Gas», що є найбільшим постачальником промислових газів в Україні. «DP Air Gas» здійснює реалізацію різноманітних технічних газів та сумішей промислових газів, що мають різне призначення. Компанією здійснюється своєчасна безперебійна доставка газів на всій території країни. Найповніший перелік товарів та послуг, що надаються цією Компанією, є .
