Сверхпроводники и криопроводники

Как уже отмечалось в 1.1, при понижении температуры удельное сопротивление ρ металлов монотонно уменьшается. Электропроводность металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю имеет свои особенности. Оказалось, что есть такие металлы, у которых значение при некоторой критической температуре T_C скачком падает до ничтожно малой величины, не поддающейся измерению ( становится меньше чем 5∙10^-24 Ом∙м), т.е. удельное сопротивление падает практически до нуля (рис.3.17).

 

 

Рис.3.17. Изменение удельного сопротивления в обычных металлах (1) и сверхпроводниках (2) в области низких температур.

Это явление открыл в 1911г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес. Измеряя сопротивление замороженного ртутного кольца в зависимости от понижаемой температуры, он обнаружил, что при охлаждении кольца до температуры 4,2К сопротивление его внезапно, резким скачком падает практически до нуля. Это явление практически полного исчезновения электрического сопротивления, т.е. появление практически бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью, а температура Т_С, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние - температурой сверхпроводящего перехода. Иногда температуру Т_С сверхпроводящего перехода называют критической температурой.

Отметим, что в рассматриваемом случае речь идет о сопротивлении R постоянному электрическому току. При R=0 разность потенциалов на любом отрезке сверхпроводника равна нулю и электрическое поле внутри сверхпроводящего материала отсутствует. Электроны, создающие электрический ток, в этом случае движутся с постоянной скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов решетки и ее дефектах. Энергия на ускорение электронов затрачивается только один раз в начале, в дальнейшем же поступления энергии извне не требуется.

Если же к сверхпроводнику прикладывается переменное электрическое поле, то в каждый полупериод ток должен менять свое направление. Следовательно, в сверхпроводнике должно существовать электрическое поле, которое бы периодически замедляло электроны, движущиеся в одном направлении, после чего ускоряло бы их в противоположном направлении. Естественно, что для этого должна поступать определенная энергия от внешнего источника питания. Следовательно, электрическое сопротивление на переменном напряжении в сверхпроводящем состоянии не будет равно нулю. Однако ввиду того, что масса электронов очень мала, затраты энергии на частотах вплоть до нескольких гигагерц практически ничтожны и данное положение имеет значение только в теоретическом плане.

Позже, кроме ртути, были обнаружены и многие другие материалы, среди которых оказались не только чистые металлы, но и различные сплавы и химические соединения, способные при охлаждении до достаточно низкой температуры переходить в сверхпроводящее состояние. Такие материалы получили общее название сверхпроводников. Сегодня известно уже более 35 металлов и более тысячи сплавов и химических соединений, обладающих свойством сверхпроводимости. Каждый сверхпроводник имеет свою вполне определенную температуру сверхпроводящего перехода Т_С.. Температуры сверхпроводящего перехода для некоторых металлов и сплавов, обладающих свойством переходить в сверхпроводящее состояние, приведены в табл. 3.11.

Таблица 3.11

Сверхпроводники	Температура сверхпроводящего перехода ТС, К	Температура сверхпроводящего перехода ТС, 0С	Индукция перехода ВС, Тл
Вольфрам W	0,03	-272,99	0,0003256
Иридий Ir	0,34	-272,86	0,002
Алюминий Al	3,2	-273,8	0,030
Олово Sn	3,7	-269,3	0,033
Индий In	3,4	-269,6	0,030
Ртуть Hg	4,2	-268,8	0,046
Тантал Ta	4,5	-268,5	0,083
Ванадий V	5,3	-267,7	0,330
Свинец Pb	7,2	-265,8	0,080
Технеций Tc	7,8	-265,2	0,343
Ниобий Nb	9,4	-263,6	0,395
Сплав Nb- Ti		-263	30,05
Сплав V-Ga	34,2	-258,8	22,62

 

Как видно из табл.3.32, из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, самую высокую температуру перехода имеет ниобий Nb (9,4К) и сплавы с высоким содержанием ниобия Nb и ванадия V.

Отметим, что при нормальных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. В то же время, некоторые вещества, в том числе такие наилучшие при нормальной температуре проводниковые материалы, как золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt) и медь (Cu), при самых низких, достигнутых в настоящее время температурах, порядка тысячных долей кельвина перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Установлено, что сверхпроводниками могут быть не только соединения и сплавы металлов, обладающих сверхпроводимостью, но и соединения таких элементов с несверхпроводящими металлами и даже соединения, в состав молекул которых входят исключительно атомы элементов, не являющихся сверхпроводниками.

С момента открытия явления сверхпроводимости сущность его почти полвека оставалась неразгаданной. Современная теория сверхпроводимости металлов была создана только в 1957 году Д.Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером и получила название теории БШК. Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы академика Н.Н. Боголюбова. Теория БШК объясняет явление сверхпроводимости металлов с помощью квантовых представлений следующим образом.

При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и ионами кристаллической решетки. Если при обычных температурах электроны металла испытывают на себе кулоновские силы отталкивания, то при очень низких температурах два электрона, находящиеся по разные стороны от положительно заряженного иона, находящегося в узле кристаллической решетки, за счет этого иона испытывают притяжение друг к другу. Причем силы притяжения преобладают над силами отталкивания. В результате два электрона, находящиеся по разные стороны от положительно заряженного иона образуют так называемую электронную или куперовскую пару. В куперовских парах электроны имеют противоположные спины. Под действием электрического поля все куперовские пары движутся согласованно как одно целое с некоторой дрейфовой скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях кристаллической решетки и ее дефектах. Благодаря спариванию электронов исключаются факторы, ограничивающие длину их свободного пробега. Движение этих частиц уже нельзя рассматривать независимым друг от друга. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, а «обтекает дефекты» структуры. Тем самым и обусловливается сверхпроводимость.

Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, пластической деформацией, не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызываю лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое.

При повышении температуры до значения Т_С куперовские пары под действием тепловых колебаний кристаллической решетки (фононов) начинают разрушаться и электроны переходят в свое нормальное одиночное состояние, характерное для обычных металлов. При этом сверхпроводимость пропадает и материал переходит в нормальное (не сверхпроводящее) состояние, приобретая конечное значение удельной проводимости γ. Таким образом, переход в сверхпроводящее состояние является обратимым. Повышение температуры может разрушить сверхпроводимость и вызвать переход в нормальное состояние.

Объясняя природу сверхпроводимости, теория БШК пока еще не может предсказать критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости и ответить на вопрос, почему не все металлы являются сверхпроводниками.

Дальнейшие исследования показали, что сверхпроводимость разрушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_С, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В_С. Индукция перехода В_С может быть создана сторонним источником магнитного поля или же током, идущим по самому сверхпроводнику.

Плотность тока в сверхпроводнике при которой начинается разрушение сверхпроводимости, называют критической плотностью тока. Каждому значению температуры данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение критической плотности тока, а следовательно, и индукции перехода В_С (рис.3.38). Для чистых металлов зависимость между индукцией магнитного поля и температурой выражается соотношением:

. (3.32)

Здесь В_С0 – значение магнитной индукции перехода в сверхпроводящее состояние при температуре абсолютного нуля, т.е. при 0К;

Т_С0 – температура перехода в сверхпроводящее состояние при отсутствии магнитного поля.

Каждому значению индукции В_С соответствуетнапряженность магнитного поля Н_С= .

В качестве примера на рис.3.18 приведена диаграмма состояния сверхпроводникового металла – олова (Sn) вблизи абсолютного нуля. На диаграмме показаны границы переходов из нормального состояния в сверхпроводящее и наоборот. Заштрихованная область соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная – нормальному проводящему состоянию материала. Как видно из рис.3.18, наибольшее возможное значение температуры перехода Т_С0 (критическая температура) данного сверхпроводника достигается при ничтожно малой магнитной индукции, стремящейся к нулю. Соответственно и наибольшее возможное значение В_С0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от абсолютного нуля. Если рабочая точка сверхпроводника, в данном случае олова, лежит внутри заштрихованной области, то вывести материал из сверхпроводящего состояния можно либо повысив температуру Т, либо значение магнитной индукции В, а также одновременным повышением температуры и магнитной индукции. Чем больше значения В_С0 и Т_С0, тем лучше его эксплуатационные свойства, т.е. больше критическая плотность тока, при которой его можно использовать.

	Рис.3.18. Диаграмма состояния сверхпроводника первого рода- олова.

 

 

Впервые ставшие известными простые сверхпроводники (чистые металлы), имели весьма малые значения В_С0, и попытки практического использования явления сверхпроводимости не имели успеха до тех пор, пока не были открыты сверхпроводники с высоким значением В_С0.

Скачкообразное изменение проводимости при достижении критической плотности тока в последнее время находит применение в системах тягового электроснабжения. В частности разработаны сверхпроводниковые ограничители тока короткого замыкания (КЗ). Сопротивление этих ограничителей при нормальном (сверхпроводящем) режиме равно нулю, но резко возрастает при достижении в цепи критического тока. Это позволяет ограничить ток КЗ до требуемой величины и тем самым облегчить режимы работ коммутирующих аппаратов при отключениях КЗ. Силовое электрооборудование и токоведущие части надежно защищаются от электродинамического и термического воздействия, а контактные провода в месте КЗ – от пережога.

В 1933г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками, т.е. их относительная магнитная проницаемость скачком падает с μ_r ≈ 1 до μ_r ≈ 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело; оно «выталкивается» из него (рис.3.19). Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник.

Это явление обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Поверхностный слой очень мал. Например, у свинца он составляет около 40нм. Эффект выталкивания выражается настолько сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля.

Этот эффект был продемонстрирован в 1935г. В. К. Аркадьевым в его знаменитом опыте с висящим магнитом (рис.3.20).

 

 

Рис.3.19. Эффект Майснера- Оксенфельда: а) металлический шар в нормальном состоянии, помещенный в магнитное поле; б) металл шара перешел в сверхпроводящее состояние и выталкивает магнитное поле из шара.

Эффект основан на том, что при опускании магнита в металлическую чашку, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, в ней за счет изменения магнитного потока наводится ЭДС, вызывающая ток в сверхпроводящей чашке. Протекающий в чашке ток создает магнитное поле, направленное навстречу по отношению к магнитному полю опускаемого магнита. При этом скорость опускания уменьшается, а затем становится равной нулю. Магнитный поток больше не изменяется и ЭДС в чашке не наводится. Однако ток, начавший протекать в чашке при опускании магнита, продолжает циркулировать, так как сопротивление чашки в сверхпроводящем состоянии равно нулю. Магнитное поле этого циркулирующего тока и не дает возможности магниту опуститься в чашку. Магнит отталкивается от чашки и остается в уравновешенном состоянии в воздухе, не касаясь чашки. Сила тяжести уравновешивается электромагнитной силой, действующей на магнит и направленной вертикально вверх. Возможен и обратный эффект, когда сверхпроводящее тело будет висеть под поверхностью магнита.

 

 

Рис.3.20. Опыт В. К. Аркадьева с « висящим магнитом». 1- магнит, 2- чашка из сверхпроводникового материала.

Способность сверхпроводников, являющихся диамагнетиками, «выталкивать» магнитное поле, используют в подшипниках с «магнитной смазкой», а также для подвешивания вагонов высокоскоростного железнодорожного транспорта.

По физико-химическим свойствам чистые металлы, обладающие свойством сверхпроводимости, разделяют на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Ta, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления ( соответственно -38,9; 232; 327; 156⁰С) и отсутствие внутренних механических напряжений. Жесткие сверхпроводники отличаются высокой температурой плавления (соответственно 2850; 1725; 1860; 2410⁰С) и наличием значительных внутренних напряжений.

С позиции термодинамики сверхпроводниковые материалы принято делить на сверхпроводники 1, 11 и 111 родов.

Для сверхпроводников первого рода характерны скачкообразный переход в сверхпроводящее состояние, т.е. скачкообразное изменение удельной электропроводности при определенной температуре и наличие одной критической напряженности магнитного поля. Значения критической температуры (температуры перехода Т_С ) и критической индукции B_C (и соответственно напряженности магнитного поля Н_С), которые могут разрушить сверхпроводимость, у них малы. Например, у алюминия Т_С0=1,2К, B_C0 =0.01Тл (Н_С0=8кА/м). У свинца Т_С0=7,2К, B_C0 =0.08Тл (Н_С0=65кА/м). Малые значения Т_С и Н_С существенно ограничивают плотность тока в сверхпроводнике и тем самым затрудняют практическое применение этих материалов. Сверхпроводники 1 рода в сверхпроводящем состоянии становятся идеальными диамагнетиками, они выталкивают из себя магнитное поле. К сверхпроводника 1 рода относятся все чистые металлы, кроме металлов переходной группы. Для металлов переходной группы характерными являются незаполненные 3d электронные уровни и переменная валентность. У этих металлов с увеличением порядкового (атомного ) номера элемента происходит заполнение не внешнего уровня, а предвнешнего.

Для сверхпроводников 1-го рода предельная сила тока ограничивается достижением на поверхности образца критической напряженности магнитного поля. В случае длинного прямолинейного проводника круглого сечения радиуса r предельный ток определяется по формуле:

(3.33)

Для сверхпроводников 11-го рода связь между и носит более сложный характер.

Сверхпроводники 11 рода, открытые в 50-х годах прошлого столетия, отличаются тем, что переход в сверхпроводящее состояние у них происходит не скачком, а постепенно в некотором интервале температур (рис.3.21). Значения B_C0 и Н_С0 у них гораздо выше, чем у сверхпроводников 1 рода. Сверхпроводниковые свойства их в весьма большой степени зависят от технологического режима изготовления. Таким образом, некоторые типичные для сверхпроводников свойства у сверхпроводников второго рода выражены менее отчетливо. При переходе от нормального проводникового состояния в сверхпроводниковое состояние у них наблюдается смешанное состояние, когда одновременно существуют две фазы: сверхпроводниковая и нормальная. Поэтому для сверхпроводников 11 рода характерны два значения магнитной индукции перехода B_C2 и B_C3:

из нормального в смешанное состояние (B_C2) и

из смешанного в сверхпроводящее (B_C3).

 

 

 

Рис.3.21. Диаграмма состояний сверхпроводников второго рода: Св – сверхпроводящее состояние, См – смешанное состояние, П - проводниковое (резистивное) состояние.

Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника наблюдается только в области сверхпроводимости, т.е. при (B< B_C3). В области смешанного состояния (B_C2 >B> B_C3) магнитное поле из объема образца выталкивается частично. К сверхпроводникам 11 рода из чистых металлов можно отнести только ниобий (Nb), ванадий (V) и технеций (Te), а также все сверхпроводниковые сплавы и химические соединения. Сюда же можно отнести и очень тонкие пленки из сверхпроводников 3 рода. Именно открытие и дальнейшее совершенствование этих сверхпроводников из-за их высоких Т_С0 и, что особенно важно, В_С0, вызвало появление особого интереса к явлению сверхпроводимости и открыло широкие возможности его практического использования. На сегодня уже известно более тысячи сверхпроводников второго рода.

Сверхпроводники 111 рода (жесткие сверхпроводники) – это сверхпроводники 33 рода, имеющие примеси и крупные неоднородности – дефекты решетки, возникшие при пластических деформациях. В них критическая плотность тока возрастает на несколько порядков и составляет несколько ГА/м², а магнитная индукция перехода составляет более 20Тл. К жестким сверхпроводникам относится большая группа сплавов и химических соединений на основе ниобия (Nb) и ванадия (V) (табл.3.32).

Часто сверхпроводниковые провода покрываются стабилизирующей оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла; это дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры и разрушении сверхпроводимости в отдельных участках провода. Более того, в ряде случаев с успехом применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число сравнительно тонких, нитевидных твердых сверхпроводников заключено в массивную матрицу из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пример 3.10. Олово переходит в сверхпроводящее состояние в отсутствии магнитного поля при температуре =3,7К. При температуре абсолютного нуля (T=0 K) критическое значения магнитной индукции ==0,031 Тл. Определить максимальное значение тока, при котором оловянный провод диаметром d=0,9 мм при температуре T=2 K сохранит свое сверхпроводящее состояние.

Решение. Олово, как сверхпроводник первого рода теряет состояние сверхпроводимости при повышении температуры и магнитной индукции. Чем выше температура сверхпроводника, тем при меньшей магнитной индукции он потеряет свойство сверхпроводимости.

Подставим численные значения для алюминия в выражение (3.30): Тл.

Предельный ток при температуре 2К найдем из условия создания критического значения магнитной индукции на поверхности проводника:

А.

Большинство всех известных сверхпроводников имеют все-таки весьма низкие температуры перехода Т_С. Поэтому устройства, использующие сверхпроводимость, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении составляет примерно 4,2 К), что сложно и дорого в связи с высокой стоимостью и дефицитностью гелия. Для практического использования нужны сверхпроводники, которые могли бы работать при температуре жидкого азота (77,4К или -195,6⁰С).

Работы по созданию таких сверхпроводников в 90-х годах прошлого столетия увенчались успехом, когда усилиями ученых нескольких стран - Швейцарии, СССР, США, Китая и Японии были созданы новые сверхпроводящие материалы с высокими критическими температурами - так называемые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Иногда их называют криогенные сверхпроводники.

Среди ВТСП прежде всего следует отметить принципиально новый сверхпроводниковый материал – керамику, имеющую температуру перехода в сверхпроводящее состояние выше 30К. В настоящее время известно несколько сверхпроводящих керамик: танталовая керамика (Т_С=56К), иттриевая (Т_С=91К), висмутовая (Т_С=115К), таллиевая (Т_С=119К) и ртутная (Т_С=115К). Разработана технология получения текстурированной керамики, которая, при температуре 77К в магнитном поле с индукцией В=1Тл, допускает критическую плотность тока 10⁸ А/м².

Сверхпроводящие керамические системы состоят из сверхпроводящих гранул, допускающих высокую плотность тока. Межгранульное пространство имеет гораздо меньшую допустимую плотность тока и это снижает допустимую плотность тока в керамике. Получение изделий из керамики, имеющих большую длину, является сложной технологической проблемой.

До недавнего времени керамические ВТСП в основном применялись в электронике. Однако сегодня ВТСП уже используются в электрических машинах – синхронных двигателях мощностью несколько сотен киловатт. Лидирующая роль здесь принадлежит ученым России и Германии. Двигатели, использующие ВТСП на основе иттриевых и неодимовых керамик (YBCO и NdBCO), работающие при температуре жидкого азота, имеют удельную выходную мощность и энергетические параметры в 2-3 раза лучшие, чем у электрических двигателей традиционной конструкции [12].

Анализ работы этих керамических ВТСП показал, что если при температуре жидкого азота переход в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами, то сверхпроводник «захватывает» в себя магнитный поток, который как бы «замораживается» в сверхпроводнике, или «вмерзает» в него. Однако по отношению к любым возмущениям магнитного потока, возникающим после перехода ВТСП керамики в сверхпроводящее состояние, она представляет собой идеальный диамагнетик, выталкивающий возмущающие магнитные поля. В первую очередь это относится к магнитным полям, обусловленным реакцией якоря. Следовательно, вредное влияние реакции якоря в этих машинах исключается.

ВТСП из висмутовой керамики предполагается использовать для создания сверхпроводящих кабелей.

Идея уменьшить сопротивление проводников при низких температурах без перехода их в сверхпроводящее состояние привела к созданию так называемых криопроводников.

Криопроводникаминазывают металлические проводники, удельное сопротивление которых при охлаждении снижается плавно без скачков и которые переходят в состояние, близкое к сверхпроводящему, при температурах, близких к температуре жидкого азота (-395,6 ^оС). Температуры ниже 320К называют криогенными температурами. Соответственно и проводники, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогенных температур, назвали криопроводниками.

Отметим, что несмотря на очень малую величину удельного сопротивления, в сверхпроводящее состояние материал не переходит. Просто при глубоком охлаждении металлического проводника его сопротивление снижается потому, что уменьшаются тепловые колебания кристаллической решетки, а вследствие этого уменьшается рассеяние электронов проводимости на этих колебаниях. Сопротивление криопроводников обусловливается в основном искажениями кристаллической решетки, вызванными наличием примесей и наклепа. Поэтому металлы, используемые в качестве криопроводников должны иметь высокую степень чистоты и быть хорошо отожженными. Вредное влияние примесей и наклёпа на ρ металлов при криогенных температурах сказывается много сильнее, чем при нормальной температуре.

На рис.3.22 представлены температурные зависимости удельного сопротивления для наиболее важных проводниковых металлов - меди, алюминия и бериллия. Из рис.3.22 видно, что при температуре жидкого азота (77,4К) наиболее эффективным криопроводником является бериллий (Be), а при температуре жидкого водорода ( 20,3К)– алюминий и медь. Чаще всего предпочтение отдают алюминию, поскольку он недорог, высокотехнологичен и имеет низкое удельное сопротивление (при температуре жидкого гелия -269⁰С ρ не превосходит 40∙10^-32Ом).

Явление криопроводимости наряду с явлением сверхпроводимости, достаточно широко используется в современной электротехнике. Криогенная температура более высокая, чем температура сверхпроводникового перехода. В то время как в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается применением более дешевых хладоагентов: жидкого водорода (20,4К) или даже жидкого азота (77,4К); это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства

Весьма малое, но все же конечное значение удельного сопротивления ρ криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плотность может быть намного выше, чем в обычных проводниках при нормальной или повышенной температуре.

Криопроводники могут с успехом использоваться для обмоток электрических машин и трансформаторов с малыми размерами и высоким КПД, для токопроводящих жил кабелей. Токопроводящие жилы таких кабелей выполняют из меди или алюминия высокой чистоты. В качестве электроизоляции используется вакуум или синтетические материалы, пропитанные криоагентом. В качестве тепловой изоляции используют многослойную теплоизоляцию. Криогенныеи ЛЭП перспективны для подземной передачи больших мощностей по территории крупных городов, где сооружение воздушных ЛЭП по каким-либо причинам невозможно.

Криопроводники применяют и для сверхпроводящего подвеса (левитации) в гироскопах. Гироскопом называют прибор, имеющий быстровращающийся ротор на карданном подвесе, стремящийся сохранить в пространстве приданное ему первоначальное направление. Гироскопы применяют для управления движением самолетов, судов, торпед и ракет, а также при прокладке штолен и бурении скважин. Якорь криогенного гироскопа, изготовленный из сверхпроводника «плавает» в магнитном поле. Отсутствие опор в подшипниках устраняет трение и повышает долговечность гироскопа. Криопроводники применяют также и для создания магнитов большой мощности для создания магнитной подушки в поездах скоростных железных дорог.

В заключение отметим, что использование явления сверхпроводимости в промышленности и на транспорте открывает новые не доступные ранее возможности. Примером может служить система тягового электроснабжения постоянного тока с использованием сверхпроводящего кабеля.

Известно, что система постоянного тока за счет низкого напряжения характеризуется потреблением больших токов. Это требует повышенных сечений контактных и усиливающих проводов, что трудно выполнимо при реальной несущей способности опор. Кроме того, при возрастающей пропускной способности дорог, для обеспечения нормируемого минимального напряжения в контактной сети приходится сокращать расстояния между подстанциями. Если расстояние между подстанциями на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе составляет 40-50км, то на железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе оно равно 12-15км, а при большом грузопотоке сокращается до 6-8км. Естественно, что при этом возрастает и число подстанций. Поэтому такое решение обходится очень дорого.

 

 

 

Рис.3.22. Зависимость удельного электрического сопротивления

 

Однако, если для снижения потерь энергии в тяговой сети и увеличения расстояния между тяговыми подстанциями на железных дорогах постоянного тока в качестве усиливающих проводов использовать сверхпроводящие кабельные линии (СПКЛ), то электрификация железных дорог на постоянном токе снова получает право на жизнь. Сверхпроводящие кабельные линии обладают практически неограниченной токонесущей способностью. Это эквивалентно подключению параллельно проводам контактной сети усиливающих проводов бесконечно большого сечения, что при использовании обычных не сверхпроводящих материалов невыполнимо. За счет применения СПКЛ резко снижаются потери энергии в тяговой сети и потери напряжения в контактной сети до ЭПС, существенно улучшаются условия защиты от токов короткого замыкания.