Zastosowanie nadprzewodnictwa w nauce i technice

Nadprzewodnictwo nazywane jest zjawiskiem kwantowym, które polega na tym, że niektóre materiały po doprowadzeniu ich temperatury do określonej wartości krytycznej zaczynają wykazywać zerowy opór elektryczny.

Dziś naukowcy znają już kilkaset pierwiastków, stopów i ceramiki zdolnych do takiego zachowania. Przewodnik, który przeszedł w stan nadprzewodzący, zaczyna pokazywać, co się nazywa Efekt Meissnera, gdy pole magnetyczne z jego objętości jest całkowicie przesunięte na zewnątrz, co oczywiście jest sprzeczne z klasycznym opisem efektów związanych ze zwykłym przewodzeniem w warunkach hipotetycznego ideału, czyli zerowego oporu.

W latach 1986-1993 odkryto szereg nadprzewodników wysokotemperaturowych, to znaczy takich, które przechodzą w stan nadprzewodzący już nie w tak niskich temperaturach jak temperatura wrzenia ciekłego helu (4,2 K), ale w temperaturze wrzenia punkt ciekłego azotu ( 77 K) — 18 razy wyższy, co w warunkach laboratoryjnych można osiągnąć znacznie łatwiej i taniej niż za pomocą helu.

Zwiększone zainteresowanie praktycznym zastosowaniem nadprzewodnictwo rozpoczęła się w latach pięćdziesiątych XX wieku, kiedy nadprzewodniki typu II, charakteryzujące się dużą gęstością prądu i indukcją magnetyczną, pojawiły się jasno na horyzoncie. Potem zaczęły nabierać coraz większego praktycznego znaczenia.

Prawo indukcji elektromagnetycznej mówi nam, że wokół prądu zawsze jest prąd pole magnetyczne... A ponieważ nadprzewodniki przewodzą prąd bez oporu, wystarczy po prostu utrzymywać takie materiały w odpowiednich temperaturach i w ten sposób uzyskać części do stworzenia idealnych elektromagnesów.

Na przykład w diagnostyce medycznej technologia rezonansu magnetycznego polega na wykorzystaniu w tomografach potężnych elektromagnesów nadprzewodzących. Bez nich lekarze nie byliby w stanie uzyskać tak imponujących obrazów o wysokiej rozdzielczości tkanek wewnętrznych ludzkiego ciała bez użycia skalpela.

Duże znaczenie zyskały stopy nadprzewodzące, takie jak związki międzymetaliczne niob-tytan i niob-cyna, z których technicznie łatwo jest uzyskać stabilne, cienkie włókna nadprzewodzące i druty skręcone.

Naukowcy już dawno stworzyli skraplacze i lodówki o dużej wydajności chłodzenia (na poziomie temperatury ciekłego helu), to oni przyczynili się do rozwoju technologii nadprzewodzącej w ZSRR. Już wtedy, w latach 80., budowano duże systemy elektromagnetyczne.

Uruchomiono pierwszy na świecie eksperymentalny obiekt T-7, mający na celu zbadanie możliwości zainicjowania reakcji syntezy jądrowej, w której do wytworzenia toroidalnego pola magnetycznego potrzebne są cewki nadprzewodzące.W dużych akceleratorach cząstek cewki nadprzewodzące są również stosowane w komorach pęcherzykowych ciekłego wodoru.

Rozwijane i tworzone są turbogeneratory (w latach 80. ubiegłego wieku na bazie nadprzewodników powstały ultrapotężne turbogeneratory KGT-20 i KGT-1000), silniki elektryczne, kable, separatory magnetyczne, systemy transportowe itp.

Przepływomierze, poziomowskazy, barometry, termometry — nadprzewodniki doskonale nadają się do wszystkich tych precyzyjnych przyrządów.Głównymi głównymi obszarami zastosowań przemysłowych nadprzewodników pozostają dwa: układy magnetyczne i maszyny elektryczne.

Ponieważ nadprzewodnik nie przepuszcza strumienia magnetycznego, oznacza to, że produkt tego typu osłania promieniowanie magnetyczne. Ta właściwość nadprzewodników jest wykorzystywana w precyzyjnych urządzeniach mikrofalowych, a także do ochrony przed tak niebezpiecznym szkodliwym czynnikiem wybuchu jądrowego, jak silne promieniowanie elektromagnetyczne.

W rezultacie nadprzewodniki niskotemperaturowe pozostają niezbędne do tworzenia magnesów w sprzęcie badawczym, takim jak akceleratory cząstek i reaktory termojądrowe.

Pociągi lewitacji magnetycznej, które są obecnie aktywnie wykorzystywane w Japonii, mogą teraz poruszać się z prędkością 600 km / hi od dawna udowodniły swoją wykonalność i wydajność.

Brak oporu elektrycznego w nadprzewodnikach sprawia, że ​​proces przesyłania energii elektrycznej jest bardziej ekonomiczny. Na przykład nadprzewodzący cienki kabel ułożony pod ziemią mógłby w zasadzie przesyłać energię, która wymagałaby grubej wiązki przewodów — nieporęcznej linii — do przesyłania jej w tradycyjny sposób.

Obecnie istotne pozostają jedynie kwestie kosztów i konserwacji związane z koniecznością ciągłego pompowania azotu przez system. Jednak w 2008 roku firma American Superconductor z powodzeniem uruchomiła pierwszą komercyjną nadprzewodzącą linię przesyłową w Nowym Jorku.

Ponadto istnieje przemysłowa technologia baterii, która pozwala dziś gromadzić i magazynować (akumulować) energię w postaci ciągłego prądu obiegowego.

Łącząc nadprzewodniki z półprzewodnikami, naukowcy tworzą ultraszybkie komputery kwantowe, które wprowadzają świat w nową generację technologii obliczeniowej.

Zjawisko zależności temperatury przejścia substancji w stan nadprzewodzący od wielkości pola magnetycznego jest podstawą sterowanych rezystorów - kriotronów.

W tej chwili można oczywiście mówić o znaczącym postępie w zakresie postępów w kierunku uzyskania nadprzewodników wysokotemperaturowych.

Na przykład kompozycja metalowo-ceramiczna YBa2Cu3Ox przechodzi w stan nadprzewodzący w temperaturze powyżej temperatury skraplania azotu!

Jednak większość z tych rozwiązań wynika z faktu, że otrzymane próbki są kruche i niestabilne; dlatego wyżej wymienione stopy niobu są nadal aktualne w technologii.

Nadprzewodniki umożliwiają tworzenie detektorów fotonów. Niektóre z nich wykorzystują odbicie Andriejewa, inne efekt Josephsona, fakt obecności prądu krytycznego itp.

Zbudowano detektory rejestrujące pojedyncze fotony z zakresu podczerwieni, które wykazują szereg zalet w stosunku do detektorów opartych na innych zasadach rejestracji, takich jak mnożniki fotoelektryczne itp.

Komórki pamięci można tworzyć na podstawie wirów w nadprzewodnikach. Niektóre solitony magnetyczne są już wykorzystywane w podobny sposób. Dwuwymiarowe i trójwymiarowe solitony magnetyczne są podobne do wirów w cieczy, gdzie rolę linii prądu pełnią linie ułożenia domen.

Kałamarnice to miniaturowe pierścieniowe urządzenia nadprzewodnikowe, które działają w oparciu o zależność między zmianami strumienia magnetycznego a napięciem elektrycznym. Takie mikrourządzenia pracują w bardzo czułych magnetometrach zdolnych do pomiaru ziemskiego pola magnetycznego, a także w sprzęcie medycznym do uzyskiwania magnetogramów zeskanowanych narządów.