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常温超导体还在绞尽脑汁搞?替代捷径可无关温度

已有 8358 次阅读 2017-6-23 09:04 |系统分类:科研笔记|关键词:超导体,钇钡铜氧,液氮,制冷,旋转,机械,电流,电压,电阻,电容| 制冷, 超导体, 液氮, 旋转, 钇钡铜氧

副标题:常温超导体世界难题终于找到了替代解

首先声明我不是材料问题专家,我的超导捷径也不用特种化合物,而是替代方案。

超导的目的是以零电阻,或零压降传导超大电流,最终获得超强感应磁场,以满足各方面应用,如:高能粒子加速器、磁悬浮、等等。

传统方案就是拼材料配方,普通金属虽可实现超导,但需要冷却到稍高于宇宙极限低温(-273)的环境,这么苛刻的要求,显然无法经济地满足。

于是全球的材料学家,纷纷研究如何搭配天底下的可用元素,寻找实现常温下就能超导的终极“仙丹”。找啊找,实在找不到,能提高一度算一度,总算得一配方:钇钡铜氧,达到液氮低温(-196℃)可支撑的环境。

就算达到液氮温度也没啥大不了,实际应用中,要长时间维持这么低温的环境,耗能代价不菲,且超低温制冷机组,体积庞大,造价昂贵!

理想的常温超导,应是无源器件。但实际可用的超导器件都变成了有源的,即离不开外部大量能源供应,以营造并保持低温环境。

看似:山穷水尽疑无路,我忽然发现:柳暗花明又一村!

既然现有超导技术,本质上还是有源的,为何不另觅捷径,抄近路多快好省地实现,与温度无关的替代技术方案呢?虽然仍是有源的,但其能耗和维持液氮环境相比,若是一个零头都不到,那就算很完美了。

我的“歪”主意是这样的:反正就图个超大电流和零压降,我给你要的这些不就得了。只不过我的超大电流,是器件宏观运动引起的“虚电流”,不像实际低温超导器件,静置在低温环境中那样,内部电荷以库珀对方式流动;而零压降,则两者并无本质不同。

千万别小瞧了我的“歪超导”。虚电流一点不输给实电流,她照样产生磁场。不但不服输,而且要远胜,她轻松地就能产生更大电流。实电流还有饱和的弊端,而虚电流则高枕无忧,只要运动速度上得去,她就使劲地线性增长!

不服?那就来算帐并PK一番

电流的标准定义:单位时间内流过任何一处横断面的电荷量。安培1A = 1库仑/秒。

先试算半径1mm的铜线中承载1A电流时,内部电荷流动速度。

铜的比重8.94,1mol(摩尔)质量64g,换算出140685mol/m3,Avogadro常数表明1mol含有6.02*1023个原子,所以1m3的铜材的总原子数约8.5*1028个。

铜原子的外层电子配置为4s13d10,容易失去的4s轨道未配对电子,正是所谓的自由电子,而1个电子的得失就对应1个电荷。

标准电荷值为1.6*10-19库仑,因而1m3的铜材的潜在总流动电荷量数约8.5*1028*1.6*10-19 = 1.36*1010库仑,再反推出1库仑的电荷占用体积7.45*10-11 m3

由已知半径,便可算出铜线的截面积 = π * 0.0012 = 3.14*10-6 m2

1A电流对应的电荷流量为1库仑/s,根据单位电荷的体积占用,最后得到电荷的流速 = 7.45*10-11 / 3.14*10-6 = 2.3*10-5 m/s = 23μm/s

惊呆了吧?原来电荷在导体内竟然流动得这么慢,对应的流速比毛毛虫还磨蹭。这还是按1毫米半径的细线算的,线要再粗些,电荷流速就更慢了。

根据日常使用电源插线板的经验,这样的细铜线,若通以10A以上的电流,慢慢就要微烫了,再翻倍,就可闻到胶皮烧煳的味了,而此时电荷流速还不到1mm/s

现代能跑会转的东西,哪个动起来不是风驰电掣,甚至超音速>340m/s。电荷若是傍上这样的“大款”或“快款”,不也能“飞黄腾达”,立马产生超级大电流?!一下子让普通导线,甚至超导导体相形见拙。

你可将一个中性的铜盘子转得飞快,可惜白搭了,不会产生电流。但若先让它带上电荷再去旋转,环形电流效应立即显现!只不过电荷是躺在盘子上不动的“乘客”。

想象有一张看不见的过盘心、且垂直于盘面的横断面,静止于盘子的上一级惯性参考系,如地面,那么,电荷难道不就在这个横断面内高速穿行?巨大的虚拟电流正是这样产生的,同时零压降,或者说,这里根本就没有电阻电压的概念,因为电荷在盘面上压根就没动。

旋转盘子需要一定能源供应,所以这样的超导替代系统是有源的。但是,只要这个带电盘子与外部作用的合力为零或可忽略不计,则维持高速旋转就不需要多大的能耗,与正规超导系统内的强制冷压缩机那样的“耗电老虎”比起来,优势突显!

剩下的问题,就是如何让转盘带上尽可能多的电荷。

理论上非常容易:把盘子做成平板电容的电极板之一,接上高压直流电源充饱电即可,至于当正极还是负极用,无所谓,根据需要或者方便性决定。

工程上就不见得容易了,除非追求高电流的野心不大:要想虚电流大,必须电荷尽量多,单位面积植入的电荷越多越好,最好每个原子都能得或失一个电子。

现在的超级电容,容量最少都是法拉级别的,玩音响的发烧友称之为“大水牛”。其极板上能有1%的原子发生电子得失就相当不错了,或者说,极限密度大约每平方纳米产生10个标准电荷。

要想电容极板电荷密度高,体系的电容必须很大,极板间距必然很小,防止动静极板间刮蹭短路,需要非常高精度的机械加工,难度可想而知。

正负极板同向同步旋转不就没上述问题?错也!虽然虚电流照样产生,但两极板虚电流方向相反,感应出来的磁场相互抵消。别忘了:搞超导体的极终目的就是追求超强磁场而已。

小结:实电流是静止导体参考系内的电荷流动,而虚电流刚好相反,这时候导体在运动,而电荷在导体参考系内静止,但搭了母体的高速“便车”。

来来来,我要“上菜”,请大家“品尝”我的另类超导系统。性能完全跟温度无关,只要材料不熔化,哪怕不幸遇上500℃以上的高温,还能正常发挥功能。

下图摘自我专利申请文件中的一幅:

quasi-superconductor.png

为了产生尽可能大的虚电流和强磁场,我采用了“光盘盒”式多碟正负电极相间结构。

全部定子电极板与基座,在电路上一体化,接入电源正极;所有动碟片转子通过导体同心轴,实现电路上一体化,并架在低摩擦轴承上,再通过滑环导体,接入电源负极。

充饱电后,让电机驱动负极动碟高速转起来,高仿超导系统就可产生强大磁场了,轻松可整出几十甚至上百特斯拉的强场。

受力分析:

中间任何一张碟片的电荷符号与两侧碟片相反,所以库仑吸引力相互抵消;而最外边的两张碟片因无法抵消,会产生一定应力,因而构成驱动电机的负担。但如果合理设计,把这两张外露碟片作为定子的一部分,固定到基座上,就可为电机减负。

所以说,我这个有源超导替代系统,无须大量外部能源维持。基本上,只需启动时一次输入足够能量,建立高速惯性旋转平衡,之后补充少量摩擦损失就行。

只要层叠的碟片数量足够多,就能攒出很大的电荷量,配合极高的转速,就能产生猛烈的大电流,甚至达到常规超导材料,难以望我项背的程度!

不妨试算看看产生Alfven电流即17kA如此大电流,如何用我的系统实现。

碟的数量,以及半径都不是问题,我关心的是电机转速“瓶颈”。

假设1000片动碟,半径10cm,间距尽量小。

充电高压产生的电荷极板密度1e/nm2,e为标准电荷量。也就是:1.6*10-19/(10-9)2 = 0.16C/m2,C是库仑单位的符号。

极板总面积= 1000*π*0.12 = 31.4m2,因而总电荷 = 31.4*0.16 =  5C

由电流定义,推算出碟片转过1圈的时间:5C/17000A = 0.00029s,折算成易懂的转速= 60/0.00029 = 206880rpm,rpm = 每分钟转的圈数。

以现有高速电机技术,配合增速系统,达到每分钟20万转还不算难事。低档离心机的转速也至少万转/分钟。

好了,我是来抛砖引玉的。更详细的技术分析,以及设计上的多变性、细项设计图,我已经写成英语论文,放到了预印本服务器上,有更高追求的朋友,可以点击下列链接下载阅读:

Room Temperature Alternative Superconductor System Based on Classic Dielectrodynamics http://vixra.org/pdf/1704.0385v2.pdf


附注:

我无意打击搞材料学研究的积极性,如能最终搞出常温超导材料,意义比我的“近似解”大得多,毕竟我这是有源超导,只有常温超导材料,才是真正的无源超导。所以说,革命尚未成功,同志尚需努力!

从理论模型角度看,这是我去年奠基的介电动力学(Dielectrodynamics)的续集,第一集的模型是将电容器的介质作为变量,本续集是将电容极板原地旋转。

我的这一创新另类方案,是在探索清洁核能技术的过程中提出来的,结合热中微子聚焦催化作用,一套绿色无公害的核反应堆,有望在不远将来呼之欲出!


参考文献:

1、张崇安 指南针,你为何要指向南方?http://blog.sciencenet.cn/blog-1821475-977404.html

2、Rowland实验动画 https://www.edumedia-sciences.com/en/media/108-rowlands-disk

3、Static on moving object forms magnetic field  http://www.6moons.com/audioreviews/furutech8/demag_3.html








http://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-1062448.html

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