Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Композитні провідники




Критичними, тобто граничними параметрами, за яких існує надпровідний стан, для неідеальних надпровідників ІІ роду є критична густина струму jс, критична індукція магнітного поля ВС2 та критична температура ТС. Ці параметри взаємопов’язані.

Вид залежності jс від поперечного магнітного поля випливає із залежності (8.1):

jс= , (7.2)

де α й B0 – емпіричні константи.

Константа α визначається об’ємною силою затримуючих центрів, а B0 – обмеженням на значення jс в нульовому магнітному полі.

Співвідношення (7.2) добре виконується звичайно до деякого значення індукції, близького до ВС2. У сильніших полях jс швидко зменшується зі зростанням поля:

jс~ ,

де n =2÷3.

У загальному випадку ефективність затримуючих центрів зменшується зі зростанням температури, тому jс також зменшується з нагріванням надпровідника наближено за лінійним законом:

jс(Т)= jсВ)[1- ], (7.3)

де ТВ – температура, при якій виконувались виміри "опорного" значення jсВ).

Значення другого критичного поля залежить від температури за законом, який не дуже відрізняється від лінійного:

ВС2(Т)=ВС0[1-()n], (7.4)

де ВС0 – друге критичне поле при Т=0, n =1÷1,5.

Сукупність значень jс, ВС2 й ТС створює так звану поверхню критичних параметрів надпровідника (рис.7.5).

Рис. 7.5. Критичні параметри надпровідника

 

На основі даних на поверхні критичних параметрів вибирається робоча температура надпровідної обмотки та співвідношення між максимальним значенням індукції магнітного поля в обмотці й густиною струму через надпровідний елемент провідника.

Надпровідники, які використовуються в техніці, дозволяють пропускати надпровідний струм з густиною більшою від 109 А/м2 в полі 5÷10 Тл.

Типові залежності критичної густини струму jс від магнітного поля В при Т=4,2К для стопів Nв-Ті та Nв3Sn подані на рис.7.6.

Рис. 7.6. Залежність jс від індукції

 

Критичні густини струму jс є граничними можливими значеннями, реалізація яких пов’язана з подолання так званої деградації (виродження) струму в провідниках обмоток. Ефект деградації і є передчасною (j<jс) втратою провідниками надпровідного стану під впливом збурень, які призводять до імпульсних тепловиділень. Ці збурення можуть бути наслідком або механічного навантаження провідника та інших елементів обмотки (електродинамічні зусилля при збудженні обмотки струмом), або розвитку властивих критичному станові нестабільностей типу стрибка потоку.

У зв’язку з малими значеннями теплоємності речовин при низьких температурах та специфікою інших властивостей надпровідників їхня чутливість до імпульсних збурень дуже велика. Наприклад, миттєвого точкового виділення теплової енергії величиною 10-9Дж достатньо для переводу в нормальний стан дроту із надпровідника діаметром 0,3мм в полі 6 Тл. Для порівняння наведемо приклад: енергія 10-5 Дж виділяється при падінні голки з висоти 1 см. Після зародження нормальна зона при деяких умовах швидко розповсюджується надпровідниковим дротом, обмоткою, що може призвести до її ушкодження.

Конструкція провідника повинна враховувати ці обставини й мати елементи, які перешкоджають деградації.

Комплекс конструктивних заходів для усунення передчасного переходу надпровідників у нормальний стан, або для створення умов, при яких цей перехід і подальше існування нормальної зони контролюється, називають стабілізацією.

Методи стабілізації умовно розділяють на внутрішню та теплову (стаціонарну, кріостатичну) стабілізацію.

Обидві групи методів призводять до необхідності поряд з надпровідними струмонесучими елементами використовувати в конструкції дроту нормальні, звичайно високопровідні метали, шунтуючі надпровідник за всією його довжиною (нормальна матриця). Такі провідники (дроти) називають композитними або комбінованими.

Стійкість композитного провідника до збурень суттєво вища, ніж у "чистого" надпровідника. Так, порогова енергія теплового збурення типового композитного провідника приблизно з тими ж параметрами, що й у вищенаведеному прикладі "чистого" надпровідного дроту, становить 10-6 Дж. Як у попередньому випадку, так і в цьому, порогові значення енергії подані при густині струму приблизно 0,9 jс. Очевидно, що зі зменшенням густини струму запас стійкості зростає. Так, для розглянутого композитного провідника при j=(0,1÷0,2) jс порогова енергія становить 10-4 Дж.

Такі збурення вважаються "сильними", оскільки вони безпосередньо викликають перехід провідника в нормальний стан. Значно "слабші" збурення (температури, поля або струми), завжди існуючі в обмотці, можуть бути причиною розвитку внутрішніх нестабільностей надпровідного стану типу стрибка потоку, які також призводять до втрати надпровідності.

Методи внутрішньої стабілізації спрямовані на усунення стрибків потоку.

Очевидно, що максимальне значення підйому температури провідника під час стрибка потоку пропорційне кількості теплоти, яка виділилась, тобто енергії, “запасеної” в області надпровідника, яка екранована надпровідними струмами. Величина цієї енергії пропорційна квадратові характерного розміру провідника. Розбиваючи переріз провідника, тобто зменшуючи розмір окремої надпровідної жили, можливо досягнути стану, при якому величина енергії, яка може виділитись у провіднику у вигляді теплоти в стрибку потоку, буде меншою за необхідну для його нагріву до ТС навіть в умовах відсутності охолодження (адіабатична стабілізація).

Повний струм, який протікає через провідник, незмінний, оскільки окремі частини провідника (жили) увімкнені паралельно.

Поряд з процесами тепловиділення під час стрибка потоку відбувається тепловідвід в оточуюче надпровідник середовище. В цілому, щоб надпровідний стан провідника був стійким, необхідно, щоб тепловиділення з надпровідника під час стрибка потоку відбувалось з охолодженням. Ефективність тепловідводу залежить від характеристик матеріалів та конструкції провідника й інтенсивності охолодження.

В типовому композитному провіднику з матрицею із чистої міді, стійкому до струмів, близьких до критичного, повинні вміщуватись надпровідні жили з діаметром не більше 30÷50 мкм. Струмонесуча здатність такої жили становить у кращому випадку кілька ампер, в той час, як провідник, призначений для використання в надпровідних обмотках, повинен пропускати струм у десятки, сотні й більше ампер. Звідси випливає, що композитний провідник повинен вміщувати велику кількість надпровідних жил. Такі багатожильні надпровідники з паралельним вмиканням жил, простір між якими заповнений нормальним металом з високою електропровідністю, намагнічуються з великим часовим запізненням відносно змінень зовнішнього магнітного поля. Розрахунки показують, що магнітне поле повністю заповнює об’єм композитного провідника довжиною кілька сот метрів, який складається з паралельних жил, за час у десятки й сотні годин. Час підйому зовнішнього поля (струму в обмотці) значно менший.

Таким чином, в композитном провіднику тривалий час після вимикання обмотки зберігається неоднорідний розподіл магнітного поля, подібний до розподілу поля в надпровіднику того ж діаметра. Очевидно, що у випадку яких-небудь флуктуацій параметрів у ньому повинен відбутися стрибок потоку, відповідний розмірові провідника в цілому масштабі.

Для зменшення цього ефекту провідник необхідно скрутити вздовж поздовжньої осі. При цьому надпровідні жили створюють вздовж осі надпровідника "петлі", які замикаються в точках їх перетинання через нормальні перемички, на яких згасають екрануючі струми, які збуджуються зі зміненням зовнішнього поля. При малому кроці зкрутки час перехідного процесу до сталого стану з рівномірним розподілом магнітного поля у перерізі провідника можливо довести до величини набагато меншої, ніж час підйому зовнішнього поля. Цей час може бути ще більше зменшений за рахунок використання анізотропної матриці, опір якої за напрямом, перпендикулярним до осі провідника, збільшено за рахунок уведення бар’єрів з погано провідного матеріалу.

Таким чином, правильно сконструйований внутрішньо стабільний композитний провідник повинен складатися з достатньо тонких скручених вздовж осі надпровідних жил в матриці з нормального металу з низьким електричним опором. У необхідних випадках матриця повинна вміщувати поздовжні бар’єри з металу з високим опором.

Вміст надпровідного матеріалу в таких провідниках достатньо великий – 30÷50%, тому за його допомогою можуть бути створені обмотки з високою (109÷108 А/м2) середньою густиною струму.

Композитні провідники, які спеціально призначені для обмоток магнітних систем, що генерують змінні або імпульсні магнітні поля, або які знаходяться під впливом таких полів, повинні бути сконструйовані таким чином, щоб дисипація енергії в них була мінімальною.

Втрати у самих надпровідних жилах, які називаються гістерезисними, залежать тільки від амплітуди змінення індукції поля й струму. Вони можуть бути зменшені тим же способом що і ймовірність появи стрибка потоку – зменшенням характерного розміру жили до мінімально можливого за технологією – порядка кількох мікрометрів і менше. Окрім гістерезисних, в композитних надпровідниках є й так звані кооперативні втрати, походження яких пов’язане зі збуджуваними в надпровідних жилах екрануючими струмами, які проходять через нормальну матрицю.

При великих швидкостях змінення поля ці втрати набагато більші, ніж гістерезисні, не дивлячись на те, що провідник скручений із кроком, відповідним до його стабільності. Для зменшення цих витрат потрібно скручувати провідник з мінімально можливим кроком (до 2-3 діаметрів провідника) та вводити в матрицю елементи з металів з поганою провідністю.

На теперішній час майже відсутні конструкції провідників, які можна було б ефективно використовувати на змінному струмі промислової частоти. Але розробка технології створення провідників з субмікронними жилами дозволить вирішити цю задачу.

Внутрішньо стабілізовані провідники здатні зберігати надпровідний стан під впливом "слабких" збурень параметрів. Але, як уже говорилось, в надпровідній обмотці можливі "сильні" збурення, які безпосередньо переводять провідник передчасно в нормальний стан. Метод теплової (стаціонарної) стабілізації дозволяє виключити або контролювати розповсюдження нормальної зони в обмотці незалежно від того, якими причинами викликаний перехід провідника до нормального стану.

Загальна ідея методу полягає в тому, що з виникненням нормальної зони струм, який тече надпровідними жилами композитного провідника, витискається в шунтуючу нормальну матрицю й "обходить" нормальну ділянку надпровідника. Теплота, яка виділяється в нормальному металі, відводиться в охолоджуюче середовище – киплячий гелій. При цьому за деяких умов ділянка провідника, яка перейшла в нормальний стан, охолоджується до температури меншої, ніж критична. Таким чином, нормальна зона після усунення причини, яка викликала її появу (наприклад, імпульсне тепловиділення), зникає. Можлива й інша ситуація, при якій нормальна зона не зникає, але швидкість її розповсюдження зменшується до завчасно вибраного значення, при котрому процес переходу обмотки до нормального стану можливо контролювати й забезпечувати її захист від пошкодження зовнішніми засобами.

Рівень теплової стабілізації визначається так званим параметром стабілізації:

, (7.5)

де

– критичний струм провідника;

– поздовжній питомий електричний опір матриці;

А – площа перерізу матриці;

р – охолоджуваний периметр провідника;

h – коефіцієнт тепловіддачі до рідкого гелію;

Tc й TB – критична й робоча температури провідника.

При αс<1 нормальна зона зникає при струмах до критичного з усуненням причини її появи. Такі провідники називають повністю стаціонарно стабілізованими. При αс>1 провідники стабілізовані частково, тобто нормальна зона, якщо вона виникла, розповсюджується зі швидкістю, наближено пропорційною αс. При αс>>1 провідники не стабілізовані в тепловому відношенні.

Забезпечення умови αс<1 пов’язане з необхідністю уведення в конструкцію провідника великих кількостей нормального металу (до 95÷98% перерізу) з виконанням каналів у обмотці, які проводять охолоджуючий гелій безпосередньо до поверхні провідника. При цьому значно зменшується ефективна густина струму в обмотці, досягаючи (1-3).107 А/м2, тобто величин, звичайних для не надпровідних обмоток. Тому повністю стабілізованими доцільно виконувати тільки дуже крупні обмотки, які потребують забезпечення найвищого рівня надійності.

Обмотки кріогенних електричних машин (КЕМ) за принципом свого використання необхідно виконувати частково стабілізованими з великою густиною струму. Очевидно, що їхня "внутрішня" надійність зменшена й повинна бути забезпечена запасом стійкості зменшенням робочого струму відносно критичного, конструкцією обмотки, застосуванням пристроїв захисту.

 

 






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных