Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
Шрифт:
Тл, даже в том случае, когда одновременно по этой проволоке пропускали ток
плотностью 1000 А/мм2, началась новая эра в истории сверхпроводимости.
Свойства вновь открытых сверхпроводников делали реальными планы их использования
в технике. Сверхпроводимость начала как бы вторую жизнь, но теперь уже не в
качестве любопытного лабораторного феномена, а как явление, открывающее перед
инженерной практикой весьма серьезные перспективы. Но и здесь оказались свои
трудности.
Если
мамонтоподобные магниты еще не вышли из употребления? Почему до сих пор
сверхпроводящие магниты не завоевали принадлежащего им по праву места?
Пожалуй, в первую очередь это объясняется тем, что сверхпроводники с хорошими
свойствами оказались очень капризными. Обращение с ними потребовало от ученых
поиска новых технологических решений, новых представлений о природе
сверхпроводимости. Сейчас уже созданы сверхпроводящие электротехнические
материалы, которые можно успешно использовать в электромагнитах. Среди них есть,
например, такие сплавы, как ниобий-цирконий-титан и ниобий-титан. Они хорошо
поддаются обработке и из них сравнительно легко получить проволоку. Злые языки,
правда, подшучивают, что эта проволока дороговата, так как ее пока что
изготовляют сами ученые. Но производство сверхпроводящей проволоки уже налажено
на заводах, и стоимость ее неуклонно снижается.
Однако наиболее перспективные сверхпроводящие материалы (сплавы ниобий-олово и
ванадий-галлий) чрезвычайно хрупки (например, сплав ванадий-галлий легко
растирается в порошок пальцами). Поэтому такие соединения приходится упаковывать
в гибкие трубки или наносить на гибкую подложку. Даже такая сложная технология
изготовления себя оправдывает. Вот лишь один факт. В сверхпроводящих соленоидах,
навитых из стальной ленты с нанесенным на нее слоем из сплава ниобий-олово,
достигнуты магнитные поля до 17 Тл. И это при массе магнита в несколько десятков
килограммов вместо нескольких десятков тонн и практически при нулевом
потреблении электроэнергии вместо нескольких тысяч киловатт, которые
потребовались бы для работы несверхпроводящего магнита с теми же параметрами!
Сверхпроводящие соленоиды могут работать почти не потребляя энергии, поскольку
однажды возбужденный в них ток практически не затухает.
Количество энергии, расходуемой в ожижителе гелия и необходимой для поддержания
магнитов при низкой температуре, не идет ни в какое сравнение с теми громадными
количествами ее, которые тратятся в несверхпроводящих магнитах.
Конечно, постройка сверхпроводящих магнитов —
серьезных и неожиданных трудностей, с которой пришлось столкнуться конструкторам
сверхпроводящих магнитов, — так называемая проблема деградации сверхпроводящей
проволоки в соленоидах. Чтобы понять сущность деградации, вспомним, как,
например, определяют нагрузку, которую может выдержать балка. Для этого,
конечно, не обязательно ее подвергать испытаниям. Надо лишь знать материал, из
которого сделана балка, и характер ее нагружения в работе. А так как прочность
материала известна (она измерена в результате испытаний небольших образцов), то
все сводится к несложным расчетам. Грубо говоря, во сколько раз сечение балки
больше сечения образца, во столько раз большую нагрузку эта балка сможет
выдержать. Словом, какой бы длинной или толстой ни была балка, ее свойства можно
более или менее достоверно заранее рассчитать, зная свойства маленького образца
из того же материала.
А вот для сверхпроводящих сплавов этих простых зависимостей не существует. Если
сечение одной проволоки в 10 раз больше сечения другой, сделанной из такого же
материала, то это вовсе не значит, что по первой можно пропускать ток в 10 раз
больший. Кроме того, характеристики сверхпроводника, измеренные на кусочке
проволоки, не совпадают с характеристиками навитых на катушки длинных кусков
проволоки. Катушки, рассчитанные на одно поле, дают в действительности другое,
значительно более низкое.
Это явление объясняют тем, что магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде
так называемых квантов потока. Так как проникновение потока носит скачкообразный
характер и всякое изменение поля во времени вызывает появление ЭДС, в некоторых
участках проволоки образуются вихревые токи, разогревающие проволоку и
преждевременно переводящие ее в нормальное, несверхпроводящее состояние. Поэтому
приходится увеличивать объем и массу катушки по сравнению с теми, которые она
имела бы, если бы характеристики короткого и длинного кусков проволоки
совпадали. Это очень невыгодно по экономическим соображениям: сверхпроводящая
проволока пока еще дорога (несколько сотен рублей за 1 кг).
В настоящее время проблему деградации интенсивно исследуют. Иногда с ней удается
справиться. Уменьшению деградации способствует, например, покрытие
сверхпроводящей проволоки медью. Выяснилось, что при увеличении толщины слоя
меди свойства сверхпроводящих соленоидов значительно улучшаются. Поэтому