Icon up Overzicht

Superkabel in de maak (Exaktueel)

Onderwerp: Elektrische stroom, Materiaalonderzoek

Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.

Hoogspanningskabels worden gebruikt voor transport van elektrische energie over grote afstanden. Bovengronds van de elektriciteitscentrale naar ‘onderstations’ aan de rand van de stad, ondergronds van daar naar transformatorhuisjes in de wijk.

De Gelderlander van 25 september 2015 schrijft over een experiment met nieuwe ‘superkabels’ van netbeheerder TenneT. Een woordvoerder zegt: “Het aanleggen van hoogspanningskabels in steden is doorgaans een crime. Bovengronds wil niemand ze hebben, ondergronds ligt er al een woud aan kabels en leidingen. Een hoogspanningskabel kan daar niet altijd zomaar bij. (…)De bestaande kabels worden warm, omdat ze van koper zijn. Daardoor kunnen ze niet dichtbij andere leidingen liggen.”

Sommige mensen maken zich zorgen over de straling die hoogspanningskabels kunnen uitzenden. Daarop heeft de woordvoerder als antwoord: ”Dat bezwaar komt vooral naar voren bij hoogspanningskabels boven de grond, maar als kabels onder de grond liggen is er net zo goed straling. Mensen zijn geneigd om te denken dat het probleem niet bestaat als ze het niet zien.”

Koperen kabels worden inderdaad warm.

a) Hoe zit dat bij het ook veel gebruikte aluminium?

b) Geef een reden waarom de eventuele schadelijke invloed van elektromagnetische straling op mensen in de straat bij hoogspanningsmasten kleiner is dan bij ondergrondse kabels. Noem ook een reden waarom die juist groter is.

TenneT stelt volgens de krant: “De supergeleidende kabels hebben geen elektrische weerstand en worden daardoor niet warm. Daardoor hebben ze minder ruimte nodig.” Dit zou niet het enige voordeel van de nieuwe kabels zijn: volgens de woordvoerder kan de supergeleidende kabel wel duizend keer zo veel stroom verwerken als een normale, waardoor er in principe minder van nodig zijn.

Het bedrijf claimt dat het nu voor het eerst is dat een supergeleidende kabel over een lengte van meer dan twee kilometer onder hoogspanning wordt getest. De grote uitdaging is het koelen van de leiding: “Om supergeleidend te zijn moet die met vloeibare stikstof op een temperatuur van 200 graden onder nul gehouden worden. Over zo’n lange afstand is dat een hele opgave.”Op de website van TenneT kun je meer informatie over dit project vinden. Daar staat dat deze vorm van supergeleiding ‘high temperature super conducting’ (HTSC) wordt genoemd.

c) Zoek op internet wie het verschijnsel supergeleiding als eerste waargenomen heeft.

d) Geef een korte definitie van supergeleiding.

Er zijn materialen die beneden 93 K supergeleidend zijn.

e) Laat zien dat die lage temperatuur door koeling met vloeibaar stikstof bereikt kan worden.

f) Licht toe waarom men spreekt van ‘hoge temperatuur’, terwijl er toch gekoeld moet worden met vloeibaar stikstof.

Een ander voordeel van supergeleidende kabels is volgens TenneT dat ze geen magnetisch veld veroorzaken. Dat is op het eerste gezicht vreemd, want bij een elektrische stroom door een draad is er altijd een magnetisch veld. Dat de stroom geen weerstand ondervindt verandert daar niets aan. En ook niet dat bij elektriciteitstransport gebruik wordt gemaakt van wisselstroom.

De verklaring is dat er bij hoogspanningselektriciteitstransport drie stroomdraden zijn waardoor vrijwel even grote wisselstromen gaan die telkens 1/3 in fase verschillen, en die daarom de drie ‘fasen’ worden genoemd. In de superkabel liggen de drie fasen niet als aparte stroomgeleiders naast elkaar, maar om elkaar heen: drie coaxiale, dus buisachtige stroomgeleiders, gescheiden door isolatoren en koelvloeistof.

g) Laat zien dat de door de somwaarde van de stroomsterkten van deze drie fasen nul is. 
Tip: teken drie sinussen onder elkaar die telkens 1/3 in fase schelen en tel de amplitudes op.Je kunt het ook wiskundig aanpakken.

Het netto effect van de magnetische velden die door deze drie fasen worden opgewekt is dus ook nul). De eindgebruiker in een woning is in het algemeen maar op één van deze drie fasen aangesloten, zijn buurman op een andere fase etc. Dus daar is er natuurlijk wel elektromagnetisme, dus ook elektromagnetische straling.

 h) Beredeneer waarom er bij het gebruikelijk transport via hoogspanningsmasten wel sprake kan zijn van elektromagnetische straling.

Achtergrondinformatie

Supergeleiding is een quantummechanisch verschijnsel. Gewone ‘ohmse’ weerstand in een stroomdraad is een gevolg van het trillen van atomen en elektronen in de draad. Hoe lager de temperatuur, hoe minder trilling en hoe makkelijker elektronen zich door de metaaldraad bewegen. Bij verlaging van de temperatuur neemt de weerstand dus af, maar dat gaat geleidelijk. Supergeleiding werd ontdekt toen bleek dat bij een ‘kritische temperatuur’ vlak boven het absolute nulpunt de weerstand ineens helemaal wegviel. De verklaring is dat de elektronen zich dan in paren groeperen, zogenaamde Cooper-paren, die samen nauwelijks trillen en daardoorgeen weerstand ondervinden.

 In het laatste kwart van de vorige eeuw ontdekte men dat er ook materialen zijn die supergeleidend zijn bij een veel hogere temperatuur. Hoe dit mogelijk is weet men nog niet te verklaren. Zo werd in 1986 een keramisch materiaal ontdekt waarvan de kritische temperatuur 93K is.

Het wegvallen van de elektrische weerstand bij een supergeleider heeft bijzondere gevolgen voor het magnetisch veld. Als je een stroomkring maakt van supergeleidend materiaal en daarin een gelijkstroom laat lopen, dan gaat die zonder ophouden door. En dus blijft ook het magnetisch veld dat deze stroomkring veroorzaakt permanent in stand, zolang de temperatuur beneden de kritische waarde is.