Supravodivost a technika nízkých teplot

Obor nízkých teplot a jevů s těmito teplotami spojenými začíná teplotou trojného bodu vody 273,15 K / tj. 0°C / a jeho dolní hranicí teplota absolutní nuly 0K.Tuto oblast pro svoji různorodost musíme rozdělit alespoň do 3 oblastí:

a)     Teplotní oblast nad 120K dosažitelnou běžnou chladící technikou, obory využívající tuto techniku jsou např. biologie, medicína a potravinářství.

b)    Oblast 5 K až 120 K – hlavní doména technických aplikací kryotechniky / kryos – řecky mráz /.

c)     Oblast teplot pod 5,2K – oblast kapalného helia – tato oblast nalézá uplatnění především ve výzkumných laboratořích.

První krok ke vzniku a rozvoji supravodivosti bylo zkapalnění hélia /1908 /. Supravodivost byla objevena později a to v roce 1911. Tento jev byl zpozorován jako první u čistého kovu – rtuti.

Supravodivost je úzce spojena s úsilím o dosažení nízkých teplot a to co možná nejekonomičtěji. Snahu o dosažení nízkých teplot nejlépe vyjadřuje logaritmická teplotní stupnice. Praxe totiž ukázala, že snížení teploty ze 4K na 0,04K je přibližně stejně náročné jako snížení teploty ze 400K na 4K a současně vyžaduje kvalitativně nové principy a techniku. Logaritmické teplotní měřítko také dobře ilustruje fakt, že snižovat teplotu můžeme teoreticky neomezeně a asymptoticky se přibližovat k absolutní nule.

Vlastnosti kryogenních látek 

V kryotechnických aplikacích se pro vytvoření pracovních nízkých teplot využívá termodynamických vlastností plynů, z nichž většina je obsažena v zemské atmosféře, jak plyne z následující tabulky:

Druh plynu Normální teplota varu [K] Výparné teplo [kJ/kg]

Helium 4,2 20,3

Vodík 20,4 454,3

Dusík 77,4 197,2

Kyslík 90,2 213,1

Vzduch 82 205,1

Nejčastěji se používá kapalný dusík, vodík a helium, řidčeji pak ostatní plyny v kapalné fázi jako vzduch, kyslík a další. Uvedené plyny se kromě helia a vodíku získávají většinou kondenzací a destilací ze zkapalněného vzduchu. helium a vodík jsou ve vzduchu zastoupeny velmi málo, a proto se získávají buď z přírodních plynů nebo plynů uměle vyrobených.

Vodík H₂ se získává rovněž elektrolýzou vody.

Dusík

Dusík je hlavní složkou vzduchu. Kapalný dusík s normálním bodem varu 77,3K se získává separací vzduchu podobně jako kyslík. Kapalný dusík je bezbarvý, poněkud lehčí než voda a z hlediska výbuchu je bezpečný. Není chemicky aktivní, ani jedovatý. Kapalný dusík se používá u heliových zkapalňovačů a refrigenerátorů pro předchlazení plynného helia. Kapalný dusík je v současné době nejperspektivnější látkou pro supravodiče vzhledem k jeho velmi nízké ceně.

Vodík

Bod varu vodíku H₂ / při normálním tlaku / je 20,39K. Při práci s vodíkem je nezbytné zachovat bezpečnostní předpisy, poněvadž již při 4% směsi se vzduchem je výbušný. Výboje mohou vzniknout také při přelévání kryokapaliny mezi vzájemně izolovanými nádobami.

Helium

Helium je vzácný a nejobtížněji zkapalnitelný plyn. Jeho normální bod varu je 4,2K. Hustota kapaliny je za normálního bodu varu 125kg/m³. Optický index lomu je 1,02 /blízký vzduchu / , takže hladina kapalného helia je nesnadno rozlišitelná. Helium je jediná kapalina, kterou bez působení vysokého tlaku nelze převést do pevného stavu, ani snížením teploty k 0K.

Elektrické vlastnosti kryogenních látek

Kryogenní látky jsou v řadě elektrotechnických aplikací, kromě své prvotní chladící funkce, výhodně použitelné jako elektrické izolanty. Můžeme je nalézt u vysokonapěťových kabelů

/ kryokabelů /. Ve větší míře jde zejména o použití tekutého dusíku, helia, vodíku, které pak v určité vrstvě tvoří hlavní izolaci částí pod napětím, nebo vzhledem ke své mimořádně nízké viskozitě dokonale impregnují elektrickou izolaci vytvořenou obvykle z vhodných izolačních folií z plastů, papíru apod. a stávají se součástí celkového izolačního systému.

Technika nízkých teplot – zařízení pro získávání nízkých teplot Zkapalnění plynů lze dosáhnout pomocí chladícího cyklu využívajícího chladící efekt, který nastává při škrcení plynu nebo jeho izoentropické expanzi / nebo-li vratném adiabatickém ději/ z vyššího tlaku na nižší.

Chladící cyklus Lindův

Je nejjednodušším a nejstarším chladícím cyklem pro zkapalňování plynů, využívající k ochlazování pouze škrtícího efektu a systému tepelných výměníků.

obr.S1. Lindův zkapalňovač dusíku, blokové schéma

K – kompresor, V – protiproudový výměník, Z – zásobník zkapalněného dusíku,

JT – škrtící ventil / Joule-Thompsonův /

Plyn o tlaku p₁ je nasáván přes čistící blok kompresorem K, kde se stačí na tlak p₂. V chladiči / není na blokovém schématu zakreslen / se ochladí a vede se do výměníku tepla V, kde se ochlazuje chladnými parami, přicházejícími ze zásobníku kapaliny Z. Ve škrtícím ventilu JT se pak seškrtí na tlak p₁, při čemž část plynu zkapalní a odvádí se jako kapalina. Zbývající pára se vede přes výměník V zpět do kompresoru K. U zkapalňovačů vodíku pracujících na tomto principu je nutno z důvodů ochlazení plynu pod inverzní teplotou zařadit za výměník V ještě vanu s kapalným dusíkem a další protiproudový tepelný výměník, u zkapalňovačů helia je nutno zařadit ještě vanu s kapalným vodíkem a další protiproudový výměník tepla. Dnes se dává mechanický detander / pístový nebo turbinový /.

Zkapalňovače pracující na tomto principu mají sice nejmenší termodynamickou účinnost, ale jejich práce je velmi spolehlivá vzhledem k tomu, že neobsahují žádné pohybující se části, které obvykle způsobují provozní potíže.

Jev supravodivosti

Ve druhém desetiletí tohoto století se fyzikové zabývali měřením odporu kovů v závislosti na teplotě. Při měření odporu rtuti shledali, že oproti předpokladu odpor s teplotou neklesá plynule, ale skokem, v intervalu několika setin kelvinů klesá na neuvěřitelně malé

obr. S2. Teplotní závislost odporu rtuti

hodnoty.Tento stav byl nazván supravodivým stavem.

V současné době je známo asi 40 prvků, u kterých byl experimentálně zjištěn supravodivý stav. Z tohoto počtu vykazuje 13 prvků supravodivost pouze při zvýšeném tlaku, ostatních 27 prvků přechází do supravodivého stavu při tlaku normálním. Kritické teploty, které můžeme nalézt u supravodivých prvků, se pohybují v rozmezí 10K až 0,1K. Příčina, proč některé z kovů supravodivý stav vykazují a jiné nikoliv nebyla dosud zcela vysvětlena; současná teorie však podporuje domněnku, že supravodivost je obecnou vlastností kovů, tj. že všechny kovy s výjimkou feromagnetik mohou přejít do supravodivého stavu, některé však až při velice nízkých teplotách a pouze ve zcela čistém stavu.

Kritické parametry supravodivosti

Kritická teplota

Teplota při níž vzorek přechází z normálního stavu do supravodivého se nazývá kritickou teplotou a označuje se T_C. Je-li supravodič čistý, pak šířka tohoto přechodu je menší než 10^-5K. Pro ’špinavý’ supravodič je však širší a s rostoucím znečištěním rychle roste. Magnetické příměsi na rozdíl od nemagnetických mají velký vliv na snížení T_C.

Kritické magnetické pole

Že by mohlo vnější magnetické pole způsobit vznik odporu v supravodiči se předpokládalo již v prvopočátcích supravodivosti, avšak v tehdy dostupných polích se žádný vliv magnetického pole nenaměřil. Později se ukázalo, že skutečně existuje kritické magnetické pole B_C, při jehož překročení vzorek přechází ze supravodivého do normálního stavu / tj. vodivostního /. Neobvyklá je však změřená závislost kritického pole na teplotě :

kde B_C je kritická indukce magnetického pole při teplotě 0K.

Kritický proud

Magnetické poleje buzeno i elektrickým proudem, který supravodičem teče a proto existuje i kritická hustota proudu J_C.

obr. S3. Závislost kritické indukce na teplotě

Prvky a materiály jevící supravodivost

Supravodiče I. typu

Mezi supravodiče I. typu patří zejména čisté kovy. Jak již bylo dříve uvedeno, kritická teplota závisí na čistotě kovu, v následující tabulce jsou uvedeny některé supravodiče I. typu

supravodič čistota kritická teplota [K]

olovo Pb 4 až 6 N 7,201

indium In 5 N 3,416

hliník Al 5 N 1,175

zinek Zn 6 N 0,844

kadmium Cd 6 N 0,515

Pozn. Čistota 5 N znamená 99,999%.

Důležitým poznatkem je, že mezi supravodiče I. typu nepatří feromagnetika / železo, chrom apod. /.

Supravodiče II. typu

Ze značného počtu dnes známých supravodičů II. typu je pro technické aplikace užíváno jen několik z nich. Lze je rozdělit do dvou skupin :

a)     slitiny / Nb-Zr, Nb-ti, Nb-Ti-Zr /, které jsou tvárné.

sloučeniny / Nb₃Sn, Nb₃Ge, Nb₃Al, vyznačující se sice značnou křehkostí, avšak vyššími kritickými hodnotami oproti slitinám.

Vysokoteplotní supravodiče

/ někdy se též nazývají keramické nebo oxidové /

Dnes obvyklé supravodivé materiály jsou kovové. Jejich supravodivost zaniká při teplotách nad 10 až 20 K, a proto je jejich použití vázáno na chlazení kapalným heliem. Již delší dobu byly známy i supravodivé oxidy kovů, jako např. oxidy wolframu. Jejich teplotní oblast je však nízká a to spolu s ostatními nevýhodami brání jejich použití.

Zásadní obrat může vyplynout z objevu, že i oxidické sloučeniny za nízkých teplot jeví supravodivost / tyto sloučeniny jsou za běžných teplot izolanty /.Vysokoteplotní supravodiče můžeme pokládat za směs oxidů několika kovů. Nejdůležitější z nich je měď, bez níž vysokoteplotní supravodivost nevzniká. Dále je v nich nezbytný dvojmocný kov, obvykle baryum, a kov trojmocný. Tím bývá ytrium, některé lantanoidy, vizmut anebo thalium. Naproti tomu některé kovy supravodivost ruší, jsou to hlavně kovy paramagnetické a zejména železo. V současnosti jsou nejperspektivnější sloučeniny na bázi ytria / např. Yba₂Cu₃O₇, T_C = 90K /. Hlavním rysem jeho struktury jsou rovinné vrstvy oxidu mědi.

obr. S4. Graf srovnávající supravodiče II. a III. typu

Z tohoto grafu je zřejmé, že supravodiče III. typu zatím nedosahují potřebných hodnot kritické indukce B_C pro technické aplikace.

Aplikace supravodivosti

Dosud největšího rozšíření doznalo použití supravodičů jako vinutí v magnetických systémech. Supravodivé magnety mají menší rozměry, hmotnost i menší spotřebu energie než magnety klasické. Např. na vytvoření magnetického pole 10 T v kulovém prostoru o průměru 5 cm je potřebný výkon v konvenčním zařízení 2 MW, zatímco k provozování supravodivého magnetu stejných parametrů postačí výkon několika kW, spotřebovaný především heliovým chladícím systémem. Supravodivé magnety jsou dnes běžně používány v řadě laboratoří na celém světě. Užívají se při výzkumu pokusných termonukleárních zařízení, v experimentech s MHD generátory a uvažuje se též o magnetickém dělení rud.

Použití supravodičů v elektrických strojích dovoluje zmenšit jejich objem i hmotnost na asi 80% a znatelně zvýšit jejich účinnost, což je velice perspektivní pro aplikace v letadlech, kosmonautice a v námořní i pozemní dopravě. V Japonsku, SRN a v USA se pracuje na projektech a zkouškách magneticky nadnášených vlaků / lineární indukční motor se vznášivým účinkem /, využívající odpudivého účinku magnetického pole, vytvořeného soustavou supravodivých cívek. Magnetické nadnášení má v porovnání s aerodynamickým / vzduchový polštář / několik výhod, např. dovoluje větší mezeru mezi vozidlem a drahou, má větší stabilitu, klidnější chod a menší hlučnost, přičemž rychlost může dosáhnout 300-500km/h. Další možnost využití supravodivosti se nabízí při rozvodu elektrické energie. Supravodivé kabely mohou přenášet maximální výkony až 3,5 MVA, což je asi sedmkrát více než u kabelů konvenčních. Dosavadní studie ukazují, že pro přenos výkonu až do asi 1000 MVA nemůže supravodivý kabel soutěžit s konvenčními podzemními kabely. Lze však předpokládat, že pro přenos větších výkonů v příštích desetiletích se supravodivé kabely plně uplatní. S postupujícím vývojem supravodivých solenoidů se stále častěji vyskytuje jejich využití též jako akumulátorů elektrické energie. Hustota energie , která může být nahromaděna v supravodivé cívce je asi o dva řády vyšší než v kondenzátorech. Supravodivé akumulátory energie se hodí především tam, kde je potřebné rychle uvolnit velké množství energie a jsou používány např. na vyvolání výbojů v plynech, na vytvoření silných pulsních polí atd. V současné době se však nelze domnívat, že by tyto akumulátory byly schopny soutěžit např. s hydroelektrickými zásobníky energie, protože investiční náklady komerčních zásobníků činí jen několik procent ceny supravodivého akumulátoru energie téže kapacity. Akumulátory jsou zpravidla konstruovány jako válcové nebo toroidní cívky, případně jako speciálně uspořádaná soustava cívek na povrchu dvou soustředných koulí, která nemá vnější pole. Ideální diamagnetismus supravodičů I. typu / částečně i II.typu / umožňuje jejich použití jako velice účinných magnetických stínění kompresorů magnetického toku apod. Diamagnetický účinek supravodičů může být též využit pro magnetické nadnášení při konstrukci ložisek.

Schopnost supravodivých materiálů nacházet se v jednom ze dvou různých stavů  / supravodivý nebo normální / dovoluje jejich využití též jako logických prvků. První práce na využití supravodičů pro konstrukci elektronických prvků pocházejí z doby před více jak třiceti lety. Každý z  jevů umožňující skokovou změnu elektrického odporu projevující se skokem na voltampérových charakteristikách, vždy přitahoval zájem elektroniků. Jedním z prvních návrhů na využití supravodivosti pro konstrukci klopného obvodu představuje kryotron.

obr. S5. Princip supravodivého klopného obvodu – kryotron

Obsahuje dva supravodiče v mag. poli dvou vinutí, přitom každý supravodič ovládá velikost proudu ve vinutí svého partnera. Pokud je např. horní supravodič v supravodivém stavu, je mag. pole v okolí druhého prvku tak silné, že převyšuje kritickou hodnotu a druhý prvek je ve stavu obyčejné vodivosti. V každém okamžiku proto může jen jeden z obou prvků být supravodivý a klopný mechanismus spočívá v přenosu mezi oběma prvky. 

Tento krátký přehled aplikačních oblastí supravodivosti není sice vyčerpávající, avšak umožňuje utvořit si představu o tom, že nauka o supravodivosti je důležitým a perspektivním oborem, který lze považovat za potenciální zdroj významných přeměn v elektrotechnice, energetice i dopravě.