Definiție fizică a supraconductivității, aplicații în energie, provocări și figuri cheie
A ȚINE MINTE
- Într-un superconductor, rezistența electrică se anulează foarte brusc la temperaturi foarte scăzute. Materialul conduce apoi curentul perfect fără pierderi de energie.
- Câmpurile magnetice sunt profund afectate în supraconductori. Acestea permit, printre altele, să leviteze trenuri, inclusiv cele mai rapide din lume în Japonia.
- Cu toate acestea, supraconductia se aplică în principal curenților slabi, adică aplicațiilor de procesare a informațiilor.
- Cercetătorii lucrează în prezent pentru a găsi o explicație pentru supraconductivitatea celor mai „fierbinți” elemente (această „temperatură ridicată” rămânând sub -135 ° C).
rezumat
- Definiție și categorii
- Explicații fizice
- Aplicații
- Cifre cheie
- Trecut
- Mizele și viitorul
Superconductivitatea se referă la proprietatea anumitor materiale de a conduce curentul electric perfect (fără nicio rezistență) prin generarea câmpurilor magnetice puternice. Acest fenomen fizic este atins doar la temperaturi foarte scăzute, aproape de zero absolut (- 273,15 ° C).
Materialele supraconductoare permit astfel propagarea unor curenți electrici considerabili („curenți puternici”), dar și fluxuri de informații foarte mari („curenți slabi”) fără disiparea energiei. În aceste materiale, putem, de asemenea, să stocăm electricitate fără pierderi pe termen lung și să valorificăm câmpurile magnetice intense care le înconjoară pentru a levita sarcini metalice puternice și a le deplasa fără frecare mecanică.
Complexitatea tehnologiilor de răcire la temperaturi foarte scăzute limitează și mai mult aplicațiile supraconductoarelor. Cu toate acestea, se așteaptă ca progresul tehnic să reducă parțial această constrângere.
Absența rezistenței electrice
Într-un superconductor, rezistența electrică se anulează brusc sub o temperatură numită „temperatură critică”. Materialul conduce apoi curentul perfect. De exemplu, un curent electric poate continua să curgă la nesfârșit într-un inel supraconductor după ce curentul este eliminat.
La scara atomică, când un material devine supraconductor la o temperatură foarte scăzută, electronii săi (care sunt și unde la un nivel cuantic) se asociază în perechi. Toate perechile de electroni sunt apoi suprapuse unul pe celălalt pentru a forma o singură undă cuantică („condensatul”) care devine insensibil la defectele materialului (1), eliminând astfel orice rezistență electrică.
Modificarea magnetismului
Câmpurile magnetice sunt profund afectate într-un supraconductor:
- se pot anula reciproc complet în material (efect Meissner). Acest efect se caracterizează într-un supraconductor prin exteriorizarea câmpurilor magnetice (2);
- pot fi înghețați în configurația în care se aflau când au intrat în starea supraconductoare (vârtejuri de captare).
Unul sau altul dintre aceste efecte este observat în funcție de natura materialului supraconductor. Este posibil să se leviteze un magnet prin combinarea acestor efecte într-un sistem: efectul Meissner împinge magnetul departe de supraconductor, în timp ce prinderea vârtejurilor va păstra magnetul acolo unde era când s-a răcit supraconductorul. Magnetul este apoi prins fără a fi atras.
Transport electric prin cabluri supraconductoare
Un cablu supraconductor conduce curentul electric fără rezistență, deci fără pierderi (prin efect Joule). Astfel, este posibilă obținerea unei capacități de transport mult mai mari decât un cablu tradițional (factorul 3-5). Acest lucru face posibilă creșterea capacității unei rețele saturate fără lucrări civile și fără creșterea amprentei, cu excepția instalațiilor de răcire.
Câștigurile din lipsa disipării puterii sunt compensate de costurile de răcire a cablului.
În contextul creșterii puterii electrice în unele metropole mari, cablurile supraconductoare reprezintă o alternativă economică foarte interesantă la dezvoltarea unui nou cablu rezistiv cu capacitate mai mare. Semnătura sa termică zero oferă multă flexibilitate în instalarea unui cablu.
Cu toate acestea, din punct de vedere economic, beneficiile lipsei unei disipări de energie sunt compensate de costurile de răcire a cablului. Superconductivitatea cablurilor nu este foarte favorabilă din punct de vedere criogen, datorită raportului ridicat dintre suprafață și volum. În plus, echilibrul energetic al unui cablu supraconductor este mai favorabil decât cel al unui cablu convențional doar dincolo de un anumit curent, luând în considerare pierderile criostatului care îl răcește. În cele din urmă, rețineți că un cablu supraconductor poate suferi uneori pierderi mici atunci când este traversat de un curent alternativ, la 50 sau 60 Hz, de exemplu.
Tehnologia cablurilor supraconductoare a dobândit o anumită maturitate datorită numeroaselor realizări. De exemplu, compania Nexans (3) operează din martie 2008 cei 600 m de cablu supraconductor care transportă cea mai mare putere din lume (600 MW) în Statele Unite (proiect LIPA).
Limitatori de curent sau „Limitor de curent de eroare” (FCL)
Cablurile supraconductoare pot ajuta, de asemenea, la îmbunătățirea securității unei rețele electrice prin încorporarea unui limitator de curent.
FCL poate fi comparat cu o „super siguranță” permanentă, deoarece se regenerează automat după o pană de curent.
Un limitator de curent este un dispozitiv care limitează automat și natural curentul imediat ce depășește o valoare prestabilită. În prezent, curenții nu sunt limitați, ci doar tăiați de întrerupătoare, provocând perturbări în transmisia de energie electrică.