Uporaba superprevodnosti v znanosti in tehnologiji

Superprevodnost imenujemo kvantni pojav, ki je sestavljen iz dejstva, da nekateri materiali, ko se njihova temperatura dvigne na določeno kritično vrednost, začnejo kazati ničelni električni upor.

Danes znanstveniki poznajo že več sto elementov, zlitin in keramike, ki se lahko tako obnašajo. Prevodnik, ki je prešel v superprevodno stanje, začne kazati, kar se imenuje Meissnerjev učinek, ko je magnetno polje iz njegove prostornine popolnoma premaknjeno navzven, kar je seveda v nasprotju s klasičnim opisom učinkov, povezanih z običajno prevodnostjo v pogojih hipotetičnega ideala, to je ničelnega upora.

V obdobju od 1986 do 1993 so odkrili vrsto visokotemperaturnih superprevodnikov, to je takšnih, ki v superprevodno stanje ne prehajajo več pri tako nizkih temperaturah, kot je vrelišče tekočega helija (4,2 K), temveč pri vrelišču točka tekočega dušika ( 77 K) — 18-krat višja, kar je v laboratorijskih pogojih mogoče doseči veliko lažje in ceneje kot s helijem.

Povečano zanimanje za praktično uporabo superprevodnost se je začelo v petdesetih letih 20. stoletja, ko so superprevodniki tipa II s svojo visoko gostoto toka in magnetno indukcijo močno prišli čez obzorje. Nato so začeli pridobivati ​​vse večji praktičen pomen.

Zakon elektromagnetne indukcije nam pove, da okoli vedno obstaja električni tok magnetno polje... In ker superprevodniki prevajajo tok brez upora, je dovolj, da takšne materiale preprosto vzdržujemo na pravih temperaturah in tako dobimo dele za ustvarjanje idealnih elektromagnetov.

Na primer, v medicinski diagnostiki tehnologija slikanja z magnetno resonanco vključuje uporabo močnih superprevodnih elektromagnetov v tomografih. Brez njih zdravniki ne bi mogli pridobiti tako impresivnih slik visoke ločljivosti notranjih tkiv človeškega telesa, ne da bi se zatekli k uporabi skalpela.

Velik pomen so pridobile superprevodne zlitine, kot so intermetalidi niobij-titan in niobij-kositer, iz katerih je tehnično enostavno dobiti stabilne tanke superprevodne filamente in vpredene žice.

Znanstveniki so že zdavnaj ustvarili utekočinjalnike in hladilnike z visoko hladilno zmogljivostjo (na temperaturni ravni tekočega helija), prav oni so prispevali k razvoju superprevodne tehnologije v ZSSR. Že takrat, v osemdesetih letih, so bili zgrajeni veliki elektromagnetni sistemi.

Izstreljena je bila prva eksperimentalna naprava na svetu, T-7, namenjena preučevanju možnosti sprožitve fuzijske reakcije, kjer so za ustvarjanje toroidnega magnetnega polja potrebne superprevodne tuljave.V velikih pospeševalnikih delcev se superprevodne tuljave uporabljajo tudi v komorah z mehurčki tekočega vodika.

Razviti in ustvarjeni so turbinski generatorji (v 80. letih prejšnjega stoletja so na osnovi superprevodnikov nastali ultrazmogljivi turbinski generatorji KGT-20 in KGT-1000), elektromotorji, kabli, magnetni separatorji, transportni sistemi itd.

Merilniki pretoka, merilniki nivoja, barometri, termometri - superprevodniki so odlični za vse te natančne instrumente.Glavni glavni področji industrijske uporabe superprevodnikov ostajata dve: magnetni sistemi in električni stroji.

Ker superprevodnik ne prepušča magnetnega toka, to pomeni, da izdelek te vrste ščiti magnetno sevanje. Ta lastnost superprevodnikov se uporablja v natančnih mikrovalovnih napravah, pa tudi za zaščito pred tako nevarnim škodljivim dejavnikom jedrske eksplozije, kot je močno elektromagnetno sevanje.

Posledično ostajajo nizkotemperaturni superprevodniki nepogrešljivi za ustvarjanje magnetov v raziskovalni opremi, kot so pospeševalci delcev in fuzijski reaktorji.

Vlaki z magnetno levitacijo, ki se danes aktivno uporabljajo na Japonskem, se zdaj lahko premikajo s hitrostjo 600 km / h in so že dolgo dokazali svojo izvedljivost in učinkovitost.

Zaradi odsotnosti električnega upora v superprevodnikih je proces prenosa električne energije bolj ekonomičen. Na primer, superprevodni tanek kabel, položen pod zemljo, bi načeloma lahko prenašal moč, ki bi za prenos na tradicionalen način potreboval debel snop žic – okorna linija.

Trenutno ostajajo pomembni samo stroški in vprašanja vzdrževanja, povezana s potrebo po neprekinjenem črpanju dušika skozi sistem. Leta 2008 pa je American Superconductor uspešno zagnal prvi komercialni superprevodni daljnovod v New Yorku.

Poleg tega obstaja tehnologija industrijskih baterij, ki danes omogoča kopičenje in shranjevanje (akumulacijo) energije v obliki neprekinjenega krožečega toka.

Z združevanjem superprevodnikov s polprevodniki znanstveniki ustvarjajo ultra hitre kvantne računalnike, ki svetu predstavljajo novo generacijo računalniške tehnologije.

Pojav odvisnosti temperature prehoda snovi v superprevodnem stanju od velikosti magnetnega polja je osnova krmiljenih uporov - kriotronov.

V tem trenutku seveda lahko govorimo o bistvenem napredku v smislu napredka pri pridobivanju visokotemperaturnih superprevodnikov.

Na primer, kovinsko-keramična sestava YBa2Cu3Ox preide v superprevodno stanje pri temperaturi nad temperaturo utekočinjenja dušika!

Vendar je večina teh rešitev posledica dejstva, da so dobljeni vzorci krhki in nestabilni; zato so omenjene niobijeve zlitine še vedno aktualne v tehnologiji.

Superprevodniki omogočajo ustvarjanje fotonskih detektorjev. Nekateri od njih uporabljajo odboj Andreeva, drugi uporabljajo Josephsonov učinek, dejstvo prisotnosti kritičnega toka itd.

Izdelani so bili detektorji, ki snemajo posamezne fotone iz infrardečega območja, ki kažejo številne prednosti pred detektorji, ki temeljijo na drugih principih snemanja, kot so fotoelektrični množilniki itd.

Spominske celice lahko ustvarimo na osnovi vrtincev v superprevodnikih. Nekateri magnetni solitoni se že uporabljajo na podoben način. Dvodimenzionalni in tridimenzionalni magnetni solitoni so podobni vrtincem v tekočini, kjer vlogo pretoka igrajo črte poravnave domen.

Lignji so miniaturne superprevodne naprave na osnovi obroča, ki delujejo na podlagi razmerja med spremembami magnetnega pretoka in električne napetosti. Takšne mikronaprave delujejo v visoko občutljivih magnetometrih, ki lahko merijo zemeljsko magnetno polje, pa tudi v medicinski opremi za pridobivanje magnetogramov skeniranih organov.