플럭스 펌핑

플럭스 펌핑은 초전도체를 15테슬라가 넘는 밭에 자화시키는 방법이다.^{[citation needed]}이 방법은 모든 타입 II 초전도체에 적용될 수 있으며 초전도체의 근본적인 특성, 즉 초전도체의 길이 척도로 전류를 지지하고 유지하는 능력을 이용한다.기존의 자성 물질은 분자 규모로 자화되는데, 이는 초전도체가 기존 물질보다 더 큰 규모의 플럭스 밀도 순서를 유지할 수 있다는 것을 의미한다.플럭스 펌핑은 초전도체를 자화하는 다른 모든 방법들이 최소한 최종 요구장만큼 높은 자속 밀도를 적용해야 한다는 것을 명심할 때 특히 중요하다.이것은 플럭스 펌핑에 대한 사실이 아니다.null

초전도 와이어의 루프에서 흐르는 전류가 전원 없이 무한정 지속될 수 있다.정상적인 도체에서 전류를 무거운 이온 격자를 가로질러 이동하는 전자의 유체로 시각화할 수 있다.전자는 격자 안의 이온과 끊임없이 충돌하고 있으며, 각각의 충돌 동안 전류가 운반하는 에너지의 일부는 격자에 의해 흡수되어 열로 변환되는데, 이것은 본질적으로 격자 이온의 진동 운동 에너지다.그 결과 전류가 운반하는 에너지는 끊임없이 소멸되고 있다.전기저항 현상이다.null

초전도체에서는 상황이 다르다.기존의 초전도체에서는 전자 유체를 개별 전자로 분해할 수 없다.대신에, 그것은 쿠퍼 쌍으로 알려진 바운드 쌍의 전자들로 구성된다.이 쌍은 음핵의 교환에서 나오는 전자들 사이의 매력적인 힘에 의해 발생한다.양자역학으로 인해 이 쿠퍼 쌍유체의 에너지 스펙트럼에는 에너지 갭이 있는데, 이는 유체를 흥분시키기 위해 공급해야 하는 최소 에너지 ΔE가 존재한다는 것을 의미한다.따라서 ΔE가 kT가 준 격자의 열 에너지보다 크면, 여기서 k는 볼츠만의 상수, T는 온도인 경우, ΔE는 격자에 의해 흩어지지 않는다.따라서 쿠퍼 쌍 액체는 초유체로서 에너지 소산 없이 흐를 수 있다는 뜻이다.null

모든 알려진 고온 초전도체를 포함하여 제2형 초전도체로 알려진 초전도체의 종류에서, 강한 자기장과 함께 전류를 인가할 때 공칭 초전도 전환보다 그리 멀지 않은 온도에서 극소량의 저항성이 나타나는데, 이는 엘에 의해 야기될 수 있다.외부 전류이것은 전류가 운반하는 에너지의 일부를 소멸시키는 전자 초유체에서 vortice의 움직임 때문이다.만약 전류가 충분히 작으면, 항력은 정지하고, 저항성은 사라진다.이 효과로 인한 저항은 비초전도 물질에 비해 작지만 민감한 실험에서는 반드시 고려해야 한다.null

소개

여기서 설명한 방법에서 자기장은 자기파로 초전도체를 가로질러 쓸려간다.이 분야는 패러데이의 유도 법칙에 따라 전류를 유도한다.자기파의 운동 방향이 일정한 한 유도된 전류는 항상 같은 의미일 것이고 연속적인 파동은 점점 더 많은 전류를 유도할 것이다.null

전통적으로 자기파는 자석을 물리적으로 움직이거나 3상 모터의 스테이터에서 발생하는 것과 같이 순차적으로 전환된 코일의 배열로 생성된다.플럭스 펌핑(Flux Pumping)은 적절한 자기 주문 온도에서 자기 상태를 변화시키는 물질이 가장자리에서 가열되고 그 결과 열파가 자기파를 생성하여 초전도체를 자화시키는 고체 상태의 방법이다.초전도 플럭스 펌프는 반 Klundert 등의 검토에서[1]설명한 대로 고전적인 플럭스 펌프와 혼동해서는 안 된다.null

여기서 설명하는 방법은 다음과 같은 두 가지 고유한 특징을 가진다.

• 초전도체가 정상적으로 구동되는 것은 아니다. 이 절차는 단지 임계 상태를 수정한다.
• 임계 상태는 움직이는 자석이나 솔레노이드의 배열에 의해 수정되는 것이 아니라 자성을 수정하는 열 펄스에 의해 수정되며, 따라서 vortices를 물질로 쓸어 넣는다.

기술한 바와 같이 이 시스템은 실제로 열 에너지가 자기 에너지로 전환되고 있는 일종의 새로운 열기관이다.null

배경

마이스너 효과

초전도체가 약한 외부 자기장 H에 놓이면, 이 장은 런던의 침투 깊이라고 불리는 아주 작은 거리 λ만 초전도체를 관통하여 물질의 내부 안에서 기하급수적으로 붕괴한다.이것을 마이스너 효과라고 하며, 초전도성의 결정적인 특징이다.대부분의 초전도체의 경우, 런던의 침투 깊이는 100 nm이다.null

마이스너 효과는 때때로 완벽한 전기 전도체에서 기대할 수 있는 일종의 직경과 혼동되기도 한다: 렌즈의 법칙에 따르면, 변화하는 자기장이 도체에 적용될 때, 그것은 반대되는 자기장을 생성하는 전도체에 전류를 유도할 것이다.완벽한 전도체에서는 임의로 큰 전류를 유도할 수 있으며, 그 결과 자기장이 적용된 전류를 정확하게 취소한다.null

마이스너 효과는 초전도체가 변화하고 있는 자기장만이 아니라 모든 자기장을 방출하기 때문에 이것과 구별된다.일정한 내부 자기장을 포함하는 정상적인 상태의 물질이 있다고 가정합시다.물질이 임계 온도 이하로 냉각되면 렌즈의 법칙에 근거해 예상하지 못했던 내부 자기장의 갑작스러운 배출을 관찰하게 된다.null

마이스너 효과는 프리츠와 하인즈 런던 형제에 의해 설명되었는데, 그는 초전도체의 전자기 자유 에너지가 최소화된다는 것을 보여주었다.

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,}$

여기서 H는 자기장이고 λ은 런던 침투 깊이다.null

런던 방정식으로 알려진 이 방정식은 초전도체의 자기장이 표면에서 가지고 있는 어떤 가치에서든 기하급수적으로 분해된다고 예측한다.null

1962년 최초의 상업용 초전도 와이어인 니오비움-타이타늄 합금이 웨스팅하우스 연구진에 의해 개발되어 최초의 실용 초전도 자석을 제작할 수 있게 되었다.같은 해에 조셉슨은 초전류가 얇은 절연체로 분리된 두 개의 초전도체 사이에서 흐를 수 있다는 중요한 이론적 예측을 했다.^[2]현재 조셉슨 효과라고 불리는 이 현상은 SQUID와 같은 초전도 장치에 의해 이용된다.자속 양자 ${\displaystyle {\phi \mathrm{}}_{}}$ 0${\displaystyle {}_{}}$= ${\displaystyle h\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{2}{}}$ ${\displaystyle \frac{e\mathrm{}}{}}$ ${\$의 가장 정확한 가용 측정에 사용되며, 따라서 플랑크의 상수 h에 대해 (양자홀 저항성과 결합) 1973년 조셉슨이 노벨상을 수상하였다.null

E-J 전력법

초전도성을 설명하는 데 가장 인기 있는 모델은 빈의 임계상태 모델과 킴-앤더슨 모델과 같은 변주형이다.그러나 Bean 모델은 저항성이 0이라고 가정하고 그 전류는 항상 임계 전류에서 유도된다.엔지니어링 애플리케이션에 더 유용한 모델은 소위 E–J 전력법칙으로, 이 법칙에서 장과 전류가 다음과 같은 방정식으로 연결된다.

${\displaystyle \rho ={\frac {E}{J}\,}$

${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E_{0}}*\왼쪽({\frac {J}{J_{c}}}\오른쪽)^{n}\,}$

${\displaystyle \rho(J)={\frac {E_{0}*({\frac {J}{J_{c}}}}^{n-1}{J_{c}}}\,}$

이 방정식에서 n = 1이면 도체는 구리에서 발견되는 것과 같은 선형 저항성을 갖는다.n-값이 높을수록 임계 상태 모델에 근접한다.또한 n-값이 높을수록 초전도체가 특정 전류에서 저항을 낮출수록 "더 우수"하다.E-J 전력법은 초전도체가 시간이 지남에 따라 점차 자화력을 상실하는 플럭스-크립 현상을 기술하는 데 사용될 수 있다.이 과정은 로그학적이어서 점점 더 느리고 궁극적으로는 매우 안정적인 분야로 이어진다.null

이론

극저온에서 상당한 자기장을 유지하기 위해 초전도 코일과 대량 용해 처리된 YBCO 단일 영역의 잠재성은 초전도 자석, 자기 베어링 및 모터를 포함한 다양한 엔지니어링 애플리케이션에 특히 매력적이다.77K에서 단일 도메인 벌크 샘플로 큰 필드를 얻을 수 있다는 것이 이미 증명되었다.고출력밀도 전기모터 설계에는 가능한 다양한 응용 프로그램이 존재한다.null

그러한 장치가 만들어지기 전에 중요한 문제를 극복해야 한다.이러한 모든 장치가 영구 자석의 역할에 초전도체를 사용하고 초전도체가 잠재적으로 거대한 자기장(10T 이상)을 가둘 수 있더라도 문제는 자기장의 유도인데, 이는 대량과 영구모드로 작동하는 코일에 모두 적용된다.네 가지 가능한 알려진 방법이 있다.

1. 현장 냉각;
2. 전기장 냉각이 전혀 없고, 그 다음에 서서히 적용되는 전기장;
3. 펄스 자기화;
4. 플럭스 펌핑;

이러한 방법 중 어떤 것이든 초전도체를 자화시키기 위해 사용될 수 있으며, 이것은 현장 또는 외부 현장에서 이루어질 수 있다.이상적으로 초전도체는 그 자리에서 자화된다.null

여기에는 몇 가지 이유가 있다. 첫째, (i) 플럭스 크리프를 통해 초전도체가 탈자되어야 하는 경우, (ii) 수직장을 반복적으로 적용해야 하는 경우 또는 (iii) 냉각 상실로 인해 초전도체가 기계를 분해할 필요 없이 다시 자화될 수 있다.둘째, 기계를 조립할 때 극저온에서 매우 강한 자화물질을 취급하는 데 어려움이 있다.셋째, 기존 상황 방법은 냉간 및 사전 자석 조립을 요구하며 상당한 설계상의 어려움을 초래할 수 있다.따라서 상온 초전도체를 준비할 수 있을 때까지 가장 효율적인 기계 설계는 현장 자기화 고정장치를 포함하는 설계가 될 것이다.null

처음 세 가지 방법은 모두 스위치를 켜고 끌 수 있는 솔레노이드를 필요로 한다.첫 번째 방법에서는 적용된 자기장이 필요한 자기장과 동일해야 하며, 두 번째와 세 번째 접근방식은 최소 두 배 이상의 자기장이 필요하다.그러나 최종 방법은 작은 필드를 반복적으로 적용하여 최종 필수 필드를 달성하고 영구 자석을 활용할 수 있으므로 상당한 이점을 제공한다.null

예를 들어, 30 mm × 10 mm 샘플을 자화시키기 위해 10 T 자석을 사용하여 전장의 펄스를 만들려면 솔레노이드가 얼마나 커야 하는지 알아낼 수 있다.만약 YBCO 테이프를 사용하여 적절한 코일을 감을 수 있다면, I가^c 70A이고 두께가 100μm라고 가정하면, 우리는 100회전, 7000A 회전을 할 것이다.이렇게 하면 약 7 000/(20 × 10⁻³) × 4 × 10⁻⁷ = 0.4 T의 B 필드가 생성될 것이다.10T를 생산하려면 1,400A까지의 펄스가 필요하다!다른 계산은 J의 평균_c 5 × 10Am과⁸⁻¹ 코일의 단면 1 cm를² 가정하는 것이다.그 다음 장은 5 × 10⁸ × 10⁻² × (2 × 4 × 10⁻⁷) = 10 T가 될 것이다.분명히 자기화 고정장치가 퍽 그 자체보다 더 많은 공간을 차지하지 않는다면 매우 높은 활성화 전류가 요구될 것이고 어느 한 제약조건이 현장 자화에서 매우 어려운 제안을 할 것이다.현장 자기화에 필요한 것은 초전도체를 자화하기 위해 밀리테슬라 순서의 비교적 작은 장을 사용하는 자화법이다.null

적용들

초전도 자석은 알려진 것 중 가장 강력한 전자석이다.MRI와 NMR 기계, 질량 분광기, 자기유체역학적 발전기, 입자 가속기에 사용되는 빔-스티어링 자석에 사용된다.또한 색소 산업에서처럼 약하게 자분 입자가 적은 배경이나 비자기 입자로부터 추출되는 자기 분리에 사용될 수 있다.null

HTS에 기반한 장치의 상대적 효율성, 크기 및 중량 이점이 관련 추가 비용을 초과하는 다른 초기 시장이 발생하고 있다.null

장래 유망한 애플리케이션에는 고성능 변압기, 전력 저장 장치, 송전 장치, 전기 모터(예: 액트레인 또는 마글레브 열차와 같은 차량 추진용), 자기부상 장치 및 고장 전류 한계선이 포함된다.null

참조

원천

• Coombs, Timothy (2008). "Superconductors the next generation of permanent magnets" (PDF). {{cite journal}}:Cite 저널은 필요로 한다. journal=(도움말)
• Qiuliang Wang 등, 1996년 7월 "전파 초전도 정류기형 플럭스펌프 연구", IEEE Missions on Magnetics, vol. 32, 4, 페이지 2699–2702.
• Coombs, Timothy (2007). "A novel heat engine for magnetising superconductors" (PDF). {{cite journal}}:Cite 저널은 필요로 한다. journal=(도움말)
• Coombs, Timothy; Hong, Z; Zhu, X (2007). "A thermally actuated superconducting flux pump". Physica C: Superconductivity. 468 (3): 153. Bibcode:2008PhyC..468..153C. doi:10.1016/j.physc.2007.11.003.^{[데드링크]}
• L.J.M. 반 데 클랜더트 외, "완전히 전도된 정류기와 플럭스펌프.평론.제2부: 정류 모드, 특성 및 스위치", 극저온학, 페이지 267–277, 1981년 5월.
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• 클라인ert, Hagen, 응축 물질의 게이지 필드, Vol. I, "SUPERFLOW AND Vortex LINES"; 장애 필드, 위상 전환, 페이지 1~742, 월드 사이언티픽(싱가포르, 1989), 페이퍼백 ISBN 9971-5-02-10-0(또한 온라인에서 읽을 수 있음: Vol) 나)
• 라킨, 아나톨리; 바르라모프, 안드레이, 초전도체에서의 변동 이론, 옥스포드 대학 출판부, 영국 옥스포드, 2005년 (ISBN 0-19-852815-9)
• A.G. Lebed, ed. (2008). The Physics of Organic Superconductors and Conductors (1st ed.). Springer Series in Materials Science , Vol. 110. ISBN 9783540766728.
• Tinkham, Michael (2004). Introduction to Superconductivity (2nd ed.). Dover Books on Physics. ISBN 0-486-43503-2.
• Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Modern Physics (4th ed.). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4345-0.

외부 링크

• 최근 출판물