Suprajohtavuuden soveltaminen tieteessä ja tekniikassa

Suprajohtavuutta kutsutaan kvanttiilmiöksi, joka koostuu siitä, että jotkin materiaalit, kun niiden lämpötila on saatettu tiettyyn kriittiseen arvoon, alkavat osoittaa sähkövastusta nolla.

Nykyään tiedemiehet tuntevat jo useita satoja alkuaineita, seoksia ja keramiikkaa, jotka voivat käyttäytyä tällä tavalla. Suprajohtavaan tilaan mennyt johdin alkaa näyttää, mitä kutsutaan Meissner-efekti, kun magneettikenttä tilavuudestaan ​​siirtyy kokonaan ulospäin, mikä tietysti on ristiriidassa tavanomaiseen johtamiseen liittyvien vaikutusten klassisen kuvauksen kanssa hypoteettisen ihanteen olosuhteissa, toisin sanoen nollaresistanssissa.

Vuosina 1986-1993 löydettiin joukko korkean lämpötilan suprajohteita, eli sellaisia, jotka eivät enää mene suprajohtavaan tilaan niin alhaisissa lämpötiloissa kuin nestemäisen heliumin kiehumispiste (4,2 K), vaan kiehumispisteessä. nestemäisen typen piste ( 77 K) - 18 kertaa korkeampi, mikä laboratorio-olosuhteissa voidaan saavuttaa paljon helpommin ja halvemmalla kuin heliumilla.

Lisääntynyt kiinnostus käytännön sovelluksiin suprajohtavuus alkoi 1950-luvulla, kun tyypin II suprajohteet suurella virrantiheydellä ja magneettisella induktiolla nousivat kirkkaasti horisonttiin. Sitten he alkoivat saada yhä enemmän käytännön merkitystä.

Sähkömagneettisen induktion laki kertoo, että sähkövirran ympärillä on aina magneettikenttä... Ja koska suprajohteet johtavat virtaa ilman vastusta, riittää yksinkertaisesti pitämään tällaiset materiaalit oikeissa lämpötiloissa ja siten hankkimaan osia ihanteellisten sähkömagneettien luomiseen.

Esimerkiksi lääketieteellisessä diagnostiikassa magneettikuvaustekniikka sisältää tehokkaiden suprajohtavien sähkömagneettien käytön tomografeissa. Ilman niitä lääkärit eivät voisi saada niin vaikuttavia korkearesoluutioisia kuvia ihmiskehon sisäisistä kudoksista turvautumatta skalpelliin.

Suprajohtavat seokset, kuten niobi-titaani ja niobi-tina-intermetallit, ovat nousseet suureksi merkitykseksi, joista on teknisesti helppoa saada stabiileja ohuita suprajohtavia filamentteja ja säikeitä lankoja.

Tiedemiehet ovat jo kauan sitten luoneet nesteyttäjiä ja jääkaappeja, joilla on korkea jäähdytyskapasiteetti (nestemäisen heliumin lämpötilatasolla), juuri he osallistuivat suprajohtavan tekniikan kehittämiseen Neuvostoliitossa. Jo silloin, 1980-luvulla, rakennettiin suuria sähkömagneettisia järjestelmiä.

Maailman ensimmäinen kokeellinen laitos, T-7, käynnistettiin, suunniteltu tutkimaan mahdollisuutta käynnistää fuusioreaktio, jossa tarvitaan suprajohtavia keloja toroidisen magneettikentän luomiseen.Suurissa hiukkaskiihdyttimissä suprajohtavia keloja käytetään myös nestemäisen vetykuplakammioissa.

Turbiinigeneraattoreita kehitetään ja luodaan (viime vuosisadan 80-luvulla supertehokkaat turbiinigeneraattorit KGT-20 ja KGT-1000 luotiin suprajohtimien perusteella), sähkömoottoreita, kaapeleita, magneettierottimia, kuljetusjärjestelmiä jne.

Virtausmittarit, tasomittarit, barometrit, lämpömittarit – suprajohteet ovat erinomaisia ​​kaikille näille tarkkuusinstrumenteille.Suprajohteiden teollisen sovelluksen pääalueita on edelleen kaksi: magneettijärjestelmät ja sähkökoneet.

Koska suprajohde ei läpäise magneettivuoa, tämä tarkoittaa, että tämän tyyppinen tuote suojaa magneettista säteilyä. Tätä suprajohteiden ominaisuutta käytetään tarkkuusmikroaaltolaitteissa sekä suojaamaan sellaista vaarallista ydinräjähdyksen vahingollista tekijää kuin voimakas sähkömagneettinen säteily.

Tämän seurauksena matalan lämpötilan suprajohteet ovat edelleen välttämättömiä magneettien luomisessa tutkimuslaitteissa, kuten hiukkaskiihdyttimissä ja fuusioreaktoreissa.

Magneettiset levitaatiojunat, joita käytetään nykyään aktiivisesti Japanissa, voivat nyt liikkua 600 km/h nopeudella ja ovat jo pitkään osoittaneet kannattavuutensa ja tehokkuutensa.

Suprajohtimien sähkövastuksen puuttuminen tekee sähköenergian siirtoprosessista taloudellisempaa. Esimerkiksi maan alle sijoitettu suprajohtava ohut kaapeli voisi periaatteessa siirtää tehoa, joka vaatisi paksun johdinnipun – hankalan linjan – sen välittämiseen perinteisellä tavalla.

Tällä hetkellä vain kustannukset ja ylläpitokysymykset, jotka liittyvät tarpeeseen pumpata typpeä jatkuvasti järjestelmän läpi, ovat edelleen merkityksellisiä. Kuitenkin vuonna 2008 American Superconductor lanseerasi onnistuneesti ensimmäisen kaupallisen suprajohtavan siirtolinjan New Yorkissa.

Lisäksi on olemassa teollista akkutekniikkaa, joka mahdollistaa energian keräämisen ja varastoimisen (keräämisen) jatkuvan kiertovirran muodossa.

Yhdistämällä suprajohteita puolijohteisiin tutkijat luovat ultranopeita kvanttitietokoneita, jotka esittelevät maailmalle uuden sukupolven laskentateknologiaa.

Ilmiö suprajohtavassa tilassa olevan aineen siirtymälämpötilan riippuvuudesta magneettikentän suuruudesta on ohjattujen vastusten - kryotronien - perusta.

Tällä hetkellä voidaan tietysti puhua merkittävästä edistymisestä korkean lämpötilan suprajohteiden hankinnassa.

Esimerkiksi metallikeraaminen koostumus YBa2Cu3Ox menee suprajohtavaan tilaan lämpötilassa, joka ylittää typen nesteytyslämpötilan!

Suurin osa näistä ratkaisuista johtuu kuitenkin siitä, että saadut näytteet ovat hauraita ja epävakaita; siksi edellä mainitut niobiumseokset ovat edelleen tekniikan kannalta merkityksellisiä.

Suprajohteet mahdollistavat fotoniilmaisimien luomisen. Jotkut heistä käyttävät Andreev-heijastusta, toiset käyttävät Josephson-ilmiötä, kriittisen virran olemassaoloa jne.

On rakennettu ilmaisimia, jotka tallentavat yksittäisiä fotoneja infrapuna-alueelta, joilla on useita etuja muihin tallennusperiaatteisiin perustuviin ilmaisimiin verrattuna, kuten valosähköiset kertoimet jne.

Muistisoluja voidaan luoda suprajohteiden pyörteiden perusteella. Joitakin magneettisia solitoneita käytetään jo samalla tavalla. Kaksiulotteiset ja kolmiulotteiset magneettiset solitonit ovat samanlaisia ​​kuin nesteen pyörteet, joissa virtaviivojen roolia ovat toimialueen kohdistusviivat.

Kalmarit ovat miniatyyri rengaspohjaisia ​​suprajohteita, jotka toimivat magneettivuon muutosten ja sähköjännitteen välisen suhteen perusteella. Tällaiset mikrolaitteet toimivat erittäin herkissä magnetometreissä, jotka pystyvät mittaamaan Maan magneettikentän, sekä lääketieteellisissä laitteissa skannattujen elinten magnetogrammien saamiseksi.