Szupravezetés Vajda István: A szupravezetők alkalmazásai "Fizikus Napok", Debrecen, március 6.

Átírás

1 A szupravezetés elmélete és alkalmazásai Előadás a Fizikus napok látogatói számára Dr Vajda István egyetemi tanár Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Supertech Laboratórium vajda@supertech.vgt.bme.hu

2 Szupravezetés

3 Mire jó a szupravezető? Különleges vezető

4 Mire jó a szupravezető? Különleges mágnesm

5 Mire jó a szupravezető? Különleges mágnesm

6 Szupravezetés Ma hozzuk létre a holnapot!

7 2 A szupravezetés alapjai

8 1877 folyékony oxigén 1898 folyékony hidrogén 1908 folyékony hélium 1911 szupravezetés 1913 Nobel Díj Heike Kamerlingh Onnes

9 Elméletek a fémek ellenállásáról

10 A szupravezetés felfedezése H. Kamerlingh Onnes fedezte fel 1911-ben a LHe-n végzett első kísérletei során. Tiszta Hg-on végzett mérései feltárták, hogy az ellenállás 4.2K-en zérusra csökkent ben megállapította, hogy a rezisztív állapot elég nagy mágneses terekben illetve nagy áramok esetén visszaáll. 1913

11 Kritikus tér hőmérséklet-függése A kísérleti tapasztalat: Kritikus tér H c [ ] [ ( ) ] 2 = H 1 T T ( T ) o c

12 Szupravezető elemek Li Be Na Mg Al K Ca Sc Ti Rb Sr Y Zr Cs Ba La V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Nb Mo (at 20GPa) Tc Ru (Niobium) Hf 0.12 Nb T c =9K Ta H c =0.2T W T c (K) B T=0 (mt) Fe (iron) T c =1K (at 20GPa) Re Os Rh Ir T c és B c általában kis értékek Pd Ag Cd Pt Au Hg B C N O F Ne Ga In Tl Si P S Cl Ar Ge As Se Br Kr Sn Pb Legjobban vezető fémek általában nem-szupravezetők Sb Te I Xe Bi Po At Rn A mágneses 3d elemek nemszupravezetők...legalábbis így gondoltuk 2001-ig

13 Szupravezetés ötvözetekben és oxidokban 160 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 (under pressure) 140 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O TlBaCaCuO 100 BiCaSrCuO T c, K YBa 2 Cu 3 O 7 LN2 (77K) Hg Pb NbC Nb NbN Nb 3 Sn V 3 Si (LaBa)CuO Nb 3 Ge Lecture 1

14 Definíciók Korábban: A folyamatos ellenállásmentes áramvezetés jelensége, melyet meghatározott fémekben és ötvözetekben észlelünk, ha az abszolút zérus hőmérséklet közelébe hűtjük. Ma: Az anyag elektron-állapota, melyet a zérus ellenállás, a tökéletes diamágnesség, valamint a hosszútávú kvantum-rendezettség jellemez.

15 Valóban nincs ellenállása a szupravezetőnek? Meghatározható-e a szupravezető ellenállásának felső korlátja? Ez például úgy lehetséges, hogy áramot hozunk létre egy zárt szupravezető gyűrűben. Az áram által létesített mágneses tér időbeni változása mérhető. i B(t) i(t) = i(0)e (R /L)t A több mint két évig tartó mérés azt mutatta, hogy ρ sc Ωm!! B

16 Szupravezető = Ideális villamos vezető

17 Szupravezető (I. Típus) T = ideális diamágnes

18 A Meissner-effektus Az eddigiekben tárgyaltak ideális vezetőre és a szupravezetőre egyaránt vonatkoztak ban Meissner és Oschenfeld olyan felfedezést tette, ami alapján feltárult és két vezetési állapot közötti különbség: A Meissner Effektus A szupravezető a minta belsejéből az teljes fluxust kiszorítja.

19 Tökéletes vezető - zérus térben lehűtve. hűtsd =0 =0 Hűtsük a tökéletes vezetőt zérus mágneses térben T c alá Bekapcs. db/dt értéke zérus egy ellenállásmentes szupravezető gyűrűben, amelyben elleállásmnetesen folyik az áram. Kikapcs. Ha értékét zérusig csökkentem, akkor db/dt is köteles zérus maradni, vagyis az árnyékoló áramok is zérusra csökkennek.

20 Tökéletes vezető - mágneses térben hűtve Kapcsoljunk teret a tökéletes vezetőre szobahőmérsékleten. hűtsd Így hűtsük le a mintát T c alá, Nincs változás db/dt=0 értékében a tökéletes vezető belsejében, és nem folynak árnyékoló áramok sem. nem változik a mintában. Ha értékét zérusra csökkentjük, akkor árnyékoló áramok keletkeznek. db/dt=0 fennmarad, így a szupravezető belsejében fennmarad az tér. Az árnyékoló áramok fennmaradnak akkor is, ha külső tér zérusra van csökkentve: a minta felmágneseződik! Kikapcs

21 A Tökéletes vezető ZFC FC Hűtés =0 Hűtés =0 Bekapcs Kikapcs Kikapcs

22 Szupravezető- ZFC hűtés =0 =0 A szupravezető zérus mágneses térben van lehűtve T c alá. Bekapcs. Kikapcs db/dt értéke zérus egy zárt ellenállásmentes hurokban, így árnyékoló áramok indukálódnak, amelyek gerjesztése ellentétes és kompenzálja a külső mágneses tér gerjesztését, így a mintán belül a mágneses tér zérus értékét fenntartják. Ha teret kikapcsoljuk, db/dt továbbra is zérus kell maradjon, így az árnyékoló áramok is zérusra csökkennek. Tökéletesen egyező viselkedés a tökéletes (ideális) vezetőével.

23 Szupravezető ZFC Ideális vezető ZFC hűtés =0 hűtés =0 =0 =0 Bekapcs Bekapcs Kikapcs Kikapcs

24 Mágneses térben hűtött szupravezető Kapcsoljuk a mágneses teret szobahőmérsékleten a szupravezetőre (SzV normál állapotban). Ezt követően hűtsük le a térben a T c hőmérséklet alá. A mágneses fluxus spontán módon kiszorul a szupravezetőből, noha a mágneses tér értéke változatlan, és db/dt=0. Tehát az árnyékoló áramok időben állandó térben is kialakulnak, és kompenzálják a külső mágneses teret a szupravezető minta belsejében. hűtés Ha a külső teret zérusra csökkentjük, az árnyékoló áramok úgyszintén zérusra csökkennek, hogy a db/dt=0 feltétel teljesüljön a szupravezető belsejében. Kikapcs Ez a Meissner effektus: azt mutatja, hogy a szupravezető belsejében nemcsak db/dt=0, hanem B maga köteles zérus lenni.

25 Ideális vezető Szupravezető FC FC hűtés hűtés Apply Kikapcs Kikapcs

26 Az árnyékoló áramok tömör anyagban i i i

27 Szupravezetők osztályozása #1 AHS KHS MHS SzHS Fémes Példák: NbTi, Nb 3 Sn Fémes Példa: MgB 2 Kerámia Példák: YBCO, BSCCO??? T c, max = 23,2 K T c, max = 39 K T c, max = 138 K Nincs elméleti korlát (USO) Elméleti: < 30 K T c 40 K Elméleti: > 30 K Hűtés nélkül (?) Gyakorlati Gyakorlati T c, határ < 77 K T c, határ > 77 K

28 Szupravezetők osztályozása #2 Típus Állapot Feltétel Megjegyzés I. típus Meissner állapot B < B c London-féle behatolási mélység Normál állapot B c < B II. Típus Meissner állapot B < B c1 Ideális: pinning-mentes Kevert állapot B c1 < B < B c2 Nemideális: pinningelt Normál állapot B c2 < B

29 II. Típusú szupravezetők kritikus felülete

30 Lebegtetési kísérletek

31 Az alkalmazott szupravezetők és állandó mágnesek 25,4 mm YBCO lebegtető 36 mm NdBFe állandó mágnes

32 Lebegtetési kísérlet #1 ZFC = Zero Field Cooled (mágneses tér mentes hűtés) ZFC lebegtetés

33 Lebegtetési kísérlet #2 Stabil pozíció keresése

34 Lebegtetési kísérlet #3 FC = Field Cooled (hűtés mágneses térben) FC felfüggesztés, a fluxus befagyasztása

35 Lebegtetési kísérlet #4 Felmelegedés (S N átmenet folyamata)

36 Ideális II. típusú szupravezető Ideális, szennyeződésektől és rácshibáktól mentes homogén anyagi minőségű (ideális) II. típusú szupravezetőkben az örvényrács szabadon mozoghat.

37 A fluxus-kvantum A mágneses tér a szupravezetőbe ún. fluxus-örvények (fluxusszálak, örvények) formájában hatol be. Minden egyes fluxus-szál ugyanakkora fluxust tartalmaz, az ún. fluxus-kvantumot, amelynek értéke φ 0 = h/2e = Vs, ahol h a Planck-állandó, e az elektron töltése.

38 Lebegtetési kísérlet magyarázata Mágneses erővonalak Levitation Állandó mágnes Pinning centrumok MHS tárcsa (levitátor)

39 II. Típusú szupravezető mágneses viselkedése 4πΜ, G M = 1 0 ( H H ) e dx Mánesezési görbe

40 II. Típusú szupravezető villamos viselkedése BSCCO cylinder YBCO ring

41 A lebegtetés alkalmazása

42 Az alacsony hőmérséklet előállítása

43 Forráspontok és párolgáshők Hűtőanyag T boiling [K] T min ~ T max [K] p min ~ p max [torr] h L [J/cm 3 ] Helium ~ ~ Hydrogen (?) ~ ~ Neon ~ 28 (?) 383 ~ Nitrogen ~ 80 (!) 109 ~ Oxygen 90,18 55 ~ 94 (!) 1.4 ~ Y. Iwasa, Case studies in superconducting magnets

44 A hűtés hatásfoka (fajlagos hűtőteljesítmény) Hűtőgép hatásfoka T low, K 1 W teljesítmény (alacsony hőmérsékleten) elszállításához szükséges hűtőteljesítmény η = 100 % η = 20 % Tipikus 4,2 K 1000 W K 125 W K 6-10 W

45 A hűtés költségei Szobahőmérséklet = 1x K. Salama, Lecture notes at ASSE 2004

46 A hűtés költségei

47 A hűtés költségei Tétel Units Cu BSCCO BSCCO YBCO CC MgB 2 Üzemi hőm. K Mágneses tér T Villamos veszt. W/kA x m Effektív Carnot hatásfok W t /W e Villamos terhelés akriorendszerben A veszteségek teljes 1$/W W/kA x m $/ka x m A hűtőrendszer 5$/W $/ka x m Huzal ára (T, H) $/ka x m Teljes költség $/ka x m

48 A szupravezetős erősáramú alkalmazások osztályozása

49 Az erősáramú alkalmazások osztályai 1. Az előállított mágneses tér nagysága alapján 2. Az áramnem alapján 3. Az alkalmazások jellege alapján

50 1. Az előállított mágneses tér nagysága alapján Nagy mágneses terű (high field, HF), > 1 T alkalmazások, úgymint generátorok, motorok, fúziós erőművek, magnetohidrodinamika (MHD) és mágneses energiatárolás; Kis mágneses terű (low field, LF), < 1 T alkalmazások, úgymint erősáramú kábelek, transzformátorok, áramkorlátozók.

51 2. Az áramnem alapján Egyenáramú (DC) alkalmazások, úgymint gerjesztő tekercsek, egyenáramú kábelek, homopoláris gépek; Váltakozóáramú (AC) alkalmazások, úgymint váltakozóáramú kábelek, armaturatekercselések, transzformátorok, áramkorlátozók, stb..

52 3. Az alkalmazások jellege alapján Versenyző alkalmazások, amelyeknek létezik hagyományos, nem-szupravezetős megoldása (alternatívája, variánsa), a szupravezetős megoldás a hagyományos alternatívánál jobb műszaki paraméterekkel (tipikus példák a nagyobb hatásfok, kisebb méret és súly) és versenyképes árral kell rendelkezzen; versenyző alkalmazásokra példák a generátorok, transzformátorok, kábelek. Résekbe illeszkedő alkalmazások, amelyeknek legalábbis az ipari gyakorlatban nem létezik hagyományos, nemszupravezetős alternatívája. A szupravezetős megoldás olyan rést tölt be, amely hagyományos módon lényegében nem megoldott. Résekbe illeszkedő megoldásokra példák a mágneses energiatároló, a stabilis passzív mágneses csapágyazás, illetve az ilyen csapágyazású energiatároló lendkerék, az áramkorlátozó, továbbá az igen nagy mágneses terek előállítása..

53 Erősáramú gyakorlatban alkalmazott szupravezetők Anyag T c Alak Nb-Ti 9 K Huzal Nb 3 Sn 18 K Huzal MgB 2 39 K Huzal és tömb YBCO 93 K Szalag és tömb BSCCO 110 K Szalag és tömb

54 Szupravezetős erősáramú alkalmazások

55 Alkalmazások áttekintése A szupravezetők előnyei Nagy áramok veszteségmentes vezetése Nagy hatásfok (csökkent CO 2 emisszió) AC Veszteségek minimalizálhatók Kis méret és súly Nagyon nagy áramsűrűségek csökkentik a méretet és súlyt Alacsony hőmérsékletű üzem Környezeti szigetelés Olajmentes - környezetkímélő Állandó hőmérséklet nagyobb élettartam Új, növelt funkciójú eszközök lehetősége DE: Komplex technológia Az MHS gyártása ma még korlátozott Költséges Az eszközök megbízhatósága még nem kellően bizonyított Vajda Istán: Szupravezetők és alkalmazásaik "Mágikus vonzás", BME, november 22-25

56 Motorok és Generátorok Super-GM MHS 70 MW generator Japán (?) Vajda István: szupravezetők és alkalmazásaik "Mágiikus vonzás", BME, november

57 ZÁK MHS Zárlati Áramkorlátozók Istvan Vajda: Szupravezetők és alklamazásaik "Mágikus vonzás", BME, november 2-25

58 Teljesen szupravezetős rendszerek Teljesen szupravezetős rendszerek Tekintsünk a jövőbe! Istvan Vajda: Szupravezetők és alklamazásaik "Mágikus vonzás", BME, november 2-25