МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

«БУРЯТСКИЙ РЕСПУБЛИКАНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ»

Доклад на тему: « Будущее сверхпроводников на

железнодорожном транспорте».

Подготовил: студент ПМ 435 группы

Орлов Владислав

Руководитель: мастер производственного

обучения

Шпис Виктория Анатольевна

Улан-Удэ

2018

Тема моей работы – «Будущее сверхпроводников на

железнодорожном транспорте».

Цель моей работы – выявить в процессе исследования перспективы

использования материалов, обладающих свойствами сверхпроводимости на

железнодорожном транспорте и в частности в устройствах сигнализации,

централизации и блокировки (СЦБ), а также обозначить проблемы, которые

пока находятся в стадии их решения.

В своей работы автор проследил историю открытия

сверхпроводимости, которая начинается с 1911 года, когда голландский

физик Камерлинг-Оннес, проводя опыты с ртутью, увидел, что при

температуре ниже 4,15 К сопротивление почти мгновенно исчезло. Явление,

когда сопротивление в материале при понижении температуры снижалось до

нуля, назвали «сверхпроводимостью». Сверхпроводимость возникает

скачком. Температура, при достижении которой происходит скачек,

называется критической. Критическая температура зависит от самого

материала и насколько испытуемый образец чист. Еще Оннес обнаружил не

только сверхпроводимость ртути, олова, свинца, но и нашел первые

сверхпроводящие сплавы – сплавы ртути с золотом и оловом.

Все жидкости при низких температурах замерзают, отвердевают.

Поэтому необходимо ожижать вещества, которые при комнатных условиях

являются газами. На рис. 6 указаны температуры кипения Т

b

и плавления

Т

m

пяти веществ (при атмосферном давлении). Если понижать температуру

ниже Т

b

, то вещество ожижается, а при ниже Т

m

оно отвердевает. До 1986

года максимальная известная критическая температура едва превышала 20 К,

поэтому при исследовании сверхпроводимости нельзя обойтись без жидкого

гелия. В качестве охладителя широко применяется азот. Азот и гелий

нейтральны и безопасны.

Эффект Мейснера. О его наблюдении сообщили немецкие физики

Мейснер и Оксенфельд в 1933 году. Эффект Мейснера заключается в том,

что постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из

сверхпроводящего образца. В толще сверхпроводника магнитное поле

ослабляется до нуля. Эффект Мейснера представлен на рис. 7: постоянный

магнит парит над сверхпроводящей чашечкой. Впервые такой опыт

осуществил советский физик В.К. Аркадьев в 1945 году.

В сверхпроводниках магнитное поле ослабляется до нуля, они

становятся идеальными диамагнетиками. Только экран из непрерывно

поддерживаемых токов может не пропустить магнитное поле.

Сверхпроводник сам создает на своей поверхности такой экран и

поддерживает его сколь угодно долго.

Открытие в конце 1986 года высокотемпературных сверхпроводников,

критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения

жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели

сверхпроводниковых устройств, поскольку стоимость хладагента и затраты

на поддержание необходимой температуры снижаются в 50 – 100 раз. Кроме

того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло

теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с

30К вплоть до комнатной.

Много исследований посвящается вопросу об использовании

сверхпроводников при создании вычислительных машин. Сверхпроводящий

ток является незатухающим. Это позволяет использовать его в качестве

идеального запоминающего устройства, хранящего большие и легко

считываемые запасы информации. Одно из таких устройств – так

называемый проволочный криотрон. Прибор состоит из проволоки,

сделанной из свинца и тантала, по которому протекает сверхпроводящий ток.

Эта проволока называется клапаном. На нее намотана более тонкая – из

ниобия. Катушка, образованная этим тонким проводом, называется

управляющей. При протекании по ней достаточно большого тока

сверхпроводимость в клапане разрушается. Сопротивление в клапане

меняется скачком от нуля до некоторого конечного значения. При

уменьшении тока в управляющем проводе снова восстанавливается

сверхпроводящее состояние свинца и тантала. Скорость переключения в

криотронах достигает двух наносекунд. Высокая скорость в сочетании с

простотой устройств лежит в основе использования сверхпроводящих

криотронов в вычислительной технике (ЭВМ). Использующие

сверхпроводящие устройства выделяются своей необычной компактностью.

Эти устройства, изготовленные на свойствах сверхпроводимости можно

использовать вместе с существующими полупроводниковыми изделиями в

микропроцессорных электрических централизациях, автоблокировке и

диспетчерской централизации на железнодорожном транспорте.

Сверхпроводник, в толщу которого не проникает магнитное поле,

всегда окружен магнитной «подушкой». Этот эффект механического

отталкивания используется для создания опор без трения. Сверхпроводящая

сфера, благодаря диамагнитному эффекту висит над кольцом, в котором

циркулирует незатухающий ток. Сила тяжести при этом уравновешивается

магнитной «подушкой», создаваемой сверхпроводником. Устройство, в

котором используется описанное явление, называется сверхпроводящим

подвесом.

Принцип механического отталкивания положен в основу создания

электрических машин. К.П.Д. которых, благодаря замечательным свойствам

сверхпроводников равен 100%. В этих машинах ротор выполнен в виде

шестиугольного сверхпроводящего стаканчика. Два магнитика отталкивают

от себя магнитной «подушкой» сверхпроводящий ротор.

Используя в электродвигателях, применяемых в электрической

централизации свойство сверхпроводящего подвеса, позволит значительно

сократить расход электроэнергии и увеличить сроки эксплуатации

электродвигателей.

Сверхпроводящие трансформаторы. Отсутствие в них тепловых

потерь. Сверхпроводящие трансформаторы при большой мощности (до

1 000 000 кВт) оказываются значительно более компактными по сравнению с

обычными. При использовании таких трансформаторов на тяговых

подстанциях электрифицированных участках железных дорог даст большой

экономический эффект.

Сильноточные применения ВТСП. При передаче по кабельным линиям

электропередач мощностей выше 20 млн. кВт на расстояние свыше 2000 км

ожидается снижение электрических потерь на 10%.

Свойства сверхпроводимости применяются при создании нового вида

тяги – поездов на магнитной «подушке», которые в перспективе могут

развивать скорость до 1000 км/ч. Первые поезда на магнитной «подушке

начнут курсировать на скоростной железной дороге Санкт-Петербург –

Москва, а до 2030 года планируется создание высокоскоростного поезда

Москва – Владивосток.

В связи с коренным изменением устройства железнодорожного пути и

вида тяги с использованием свойств сверхпроводимости, значительного

увеличения скоростей движения поездов, отпадет необходимость устройства

электрических рельсовых цепей и установка на перегонах проходных

светофоров. Контроль места нахождения поезда на перегоне будет

осуществляться с помощью Глобальной навигационной спутниковой

системы «ГЛОНАСС».

На железнодорожных и сортировочных станциях я пока не вижу

альтернативы замены существующих рельсов на что-то новое из-за

сложности устройства стрелочных переводов на магнитной «подушке».