Aplikasi superkonduktiviti dalam sains dan teknologi

Superkonduktiviti dipanggil fenomena kuantum, yang terdiri daripada fakta bahawa sesetengah bahan, apabila suhu mereka dibawa ke nilai kritikal tertentu, mula menunjukkan rintangan elektrik sifar.

Hari ini, saintis sudah mengetahui beberapa ratus unsur, aloi dan seramik yang mampu berkelakuan dengan cara ini. Konduktor yang telah berada dalam keadaan superkonduktor mula menunjukkan apa yang dipanggil Kesan Meissner, apabila medan magnet daripada isipadunya disesarkan sepenuhnya ke luar, yang, sudah tentu, bercanggah dengan penerangan klasik tentang kesan yang berkaitan dengan pengaliran biasa di bawah keadaan ideal hipotesis, iaitu rintangan sifar.

Dalam tempoh dari 1986 hingga 1993, beberapa superkonduktor suhu tinggi telah ditemui, iaitu, mereka yang memasuki keadaan superkonduktor tidak lagi pada suhu rendah seperti takat didih cecair helium (4.2 K), tetapi pada tahap didih. titik nitrogen cecair ( 77 K) — 18 kali lebih tinggi, yang dalam keadaan makmal boleh dicapai dengan lebih mudah dan lebih murah daripada dengan helium.

Peningkatan minat dalam aplikasi praktikal superkonduktiviti bermula pada tahun 1950-an apabila superkonduktor jenis II, dengan ketumpatan arus tinggi dan aruhan magnet, datang dengan terang di kaki langit. Kemudian mereka mula memperoleh kepentingan yang lebih praktikal.

Undang-undang aruhan elektromagnet memberitahu kita bahawa di sekeliling arus elektrik sentiasa ada medan magnet... Dan kerana superkonduktor mengalirkan arus tanpa rintangan, cukup sekadar mengekalkan bahan tersebut pada suhu yang betul dan dengan itu mendapatkan bahagian untuk mencipta elektromagnet yang ideal.

Sebagai contoh, dalam diagnostik perubatan, teknologi pengimejan resonans magnetik melibatkan penggunaan elektromagnet superkonduktor berkuasa dalam tomograf. Tanpa mereka, doktor tidak akan dapat memperoleh imej resolusi tinggi yang mengagumkan dari tisu dalaman badan manusia tanpa menggunakan pisau bedah.

Aloi superkonduktor seperti niobium-titanium dan niobium-tin intermetallics telah mendapat kepentingan yang besar, yang secara teknikalnya mudah untuk mendapatkan filamen superkonduktor nipis yang stabil dan wayar terkandas.

Para saintis telah lama mencipta cecair dan peti sejuk dengan kapasiti penyejukan yang tinggi (pada tahap suhu helium cecair), merekalah yang menyumbang kepada pembangunan teknologi superkonduktor kembali di USSR. Walaupun begitu, pada tahun 1980-an, sistem elektromagnet yang besar telah dibina.

Kemudahan eksperimen pertama di dunia, T-7, telah dilancarkan, direka bentuk untuk mengkaji kemungkinan memulakan tindak balas pelakuran, di mana gegelung superkonduktor diperlukan untuk mencipta medan magnet toroid.Dalam pemecut zarah besar, gegelung superkonduktor juga digunakan dalam ruang gelembung hidrogen cecair.

Penjana turbin dibangunkan dan dicipta (pada tahun 80-an abad yang lalu, penjana turbin ultra berkuasa KGT-20 dan KGT-1000 dicipta berdasarkan superkonduktor), motor elektrik, kabel, pemisah magnetik, sistem pengangkutan, dll.

Meter alir, tolok aras, barometer, termometer — superkonduktor sangat bagus untuk semua instrumen ketepatan ini. Bidang utama utama aplikasi industri superkonduktor kekal dua: sistem magnet dan mesin elektrik.

Oleh kerana superkonduktor tidak melepasi fluks magnet, ini bermakna produk jenis ini melindungi sinaran magnetik. Sifat superkonduktor ini digunakan dalam peranti gelombang mikro ketepatan, serta untuk melindungi daripada faktor kerosakan berbahaya seperti letupan nuklear sebagai sinaran elektromagnet yang kuat.

Akibatnya, superkonduktor suhu rendah kekal sangat diperlukan untuk penciptaan magnet dalam peralatan penyelidikan seperti pemecut zarah dan reaktor gabungan.

Kereta api levitasi magnetik, yang digunakan secara aktif hari ini di Jepun, kini boleh bergerak pada kelajuan 600 km/j dan telah lama membuktikan kebolehlaksanaan dan kecekapannya.

Ketiadaan rintangan elektrik dalam superkonduktor menjadikan proses pemindahan tenaga elektrik lebih menjimatkan. Sebagai contoh, kabel nipis superkonduktor yang diletakkan di bawah tanah pada dasarnya boleh menghantar kuasa yang memerlukan satu berkas wayar tebal—talian yang menyusahkan—untuk menghantarnya dengan cara tradisional.

Pada masa ini, hanya isu kos dan penyelenggaraan yang berkaitan dengan keperluan untuk mengepam nitrogen secara berterusan melalui sistem kekal relevan. Walau bagaimanapun, pada tahun 2008, Superkonduktor Amerika berjaya melancarkan talian penghantaran superkonduktor komersial pertama di New York.

Di samping itu, terdapat teknologi bateri industri yang membolehkan hari ini mengumpul dan menyimpan (menimbun) tenaga dalam bentuk arus beredar yang berterusan.

Dengan menggabungkan superkonduktor dengan semikonduktor, saintis mencipta komputer kuantum ultrafast yang memperkenalkan dunia kepada teknologi pengkomputeran generasi baharu.

Fenomena pergantungan suhu peralihan bahan dalam keadaan superkonduktor pada magnitud medan magnet adalah asas perintang terkawal - cryotron.

Pada masa ini, sudah tentu, kita boleh bercakap tentang kemajuan yang ketara dari segi kemajuan ke arah mendapatkan superkonduktor suhu tinggi.

Sebagai contoh, komposisi logam-seramik YBa2Cu3Ox masuk ke dalam keadaan superkonduktor pada suhu melebihi suhu pencairan nitrogen!

Walau bagaimanapun, kebanyakan penyelesaian ini adalah disebabkan oleh fakta bahawa sampel yang diperoleh adalah rapuh dan tidak stabil; oleh itu, aloi niobium yang disebutkan di atas masih relevan dalam teknologi.

Superkonduktor memungkinkan untuk mencipta pengesan foton. Sebahagian daripada mereka menggunakan refleksi Andreev, yang lain menggunakan kesan Josephson, fakta kehadiran arus kritikal, dll.

Pengesan telah dibina yang merekodkan foton tunggal daripada julat inframerah, yang menunjukkan beberapa kelebihan berbanding pengesan berdasarkan prinsip rakaman lain, seperti pengganda fotoelektrik, dsb.

Sel memori boleh dicipta berdasarkan vorteks dalam superkonduktor. Beberapa soliton magnet telah digunakan dengan cara yang sama. Solton magnet dua dimensi dan tiga dimensi adalah serupa dengan vorteks dalam cecair, di mana peranan garis arus dimainkan oleh garis penjajaran domain.

Sotong ialah peranti superkonduktor berasaskan cincin kecil yang beroperasi berdasarkan hubungan antara perubahan fluks magnet dan voltan elektrik. Peranti mikro sedemikian berfungsi dalam magnetometer yang sangat sensitif yang mampu mengukur medan magnet Bumi, serta dalam peralatan perubatan untuk mendapatkan magnetogram organ yang diimbas.