Application ng superconductivity sa agham at teknolohiya

Ang superconductivity ay tinatawag na quantum phenomenon, na binubuo sa katotohanan na ang ilang mga materyales, kapag ang kanilang temperatura ay dinadala sa isang tiyak na kritikal na halaga, ay nagsisimulang magpakita ng zero electrical resistance.

Ngayon, alam na ng mga siyentipiko ang ilang daang elemento, haluang metal at keramika na may kakayahang kumilos sa ganitong paraan. Ang isang konduktor na napunta sa isang superconducting estado ay nagsisimula upang ipakita kung ano ang tinatawag na Meissner effect, kapag ang magnetic field mula sa dami nito ay ganap na inilipat palabas, na, siyempre, ay sumasalungat sa klasikal na paglalarawan ng mga epekto na nauugnay sa ordinaryong pagpapadaloy sa ilalim ng mga kondisyon ng hypothetical ideal, iyon ay, zero resistance.

Sa panahon mula 1986 hanggang 1993, natuklasan ang isang bilang ng mga superconductors na may mataas na temperatura, iyon ay, ang mga pumasa sa isang superconducting state na hindi na sa mababang temperatura gaya ng kumukulong punto ng likidong helium (4.2 K), ngunit sa kumukulo. punto ng likidong nitrogen ( 77 K) — 18 beses na mas mataas, na sa mga kondisyon ng laboratoryo ay maaaring makamit nang mas madali at mas mura kaysa sa helium.

Tumaas na interes sa praktikal na aplikasyon superconductivity nagsimula noong 1950s nang ang type II superconductor, na may mataas na kasalukuyang density at magnetic induction, ay dumating nang maliwanag sa abot-tanaw. Pagkatapos ay nagsimula silang makakuha ng higit at mas praktikal na kahalagahan.

Ang batas ng electromagnetic induction ay nagsasabi sa atin na sa paligid ng electric current ay palaging mayroong magnetic field... At dahil ang mga superconductor ay nagsasagawa ng kasalukuyang walang pagtutol, sapat na lamang na mapanatili ang mga naturang materyales sa tamang temperatura at sa gayon ay makakuha ng mga bahagi para sa paglikha ng mga ideal na electromagnet.

Halimbawa, sa mga medikal na diagnostic, ang teknolohiya ng magnetic resonance imaging ay nagsasangkot ng paggamit ng malalakas na superconducting electromagnets sa tomographs. Kung wala ang mga ito, ang mga doktor ay hindi makakakuha ng gayong kahanga-hangang mataas na resolusyon na mga larawan ng mga panloob na tisyu ng katawan ng tao nang hindi gumagamit ng scalpel.

Ang mga superconducting alloy tulad ng niobium-titanium at niobium-tin intermetallics ay nakakuha ng malaking kahalagahan, kung saan ito ay teknikal na madaling makakuha ng matatag na manipis na superconducting filament at stranded wires.

Ang mga siyentipiko ay matagal nang lumikha ng mga liquefier at refrigerator na may mataas na kapasidad ng paglamig (sa antas ng temperatura ng likidong helium), sila ang nag-ambag sa pagbuo ng superconducting na teknolohiya pabalik sa USSR. Kahit noon pa, noong 1980s, itinayo ang malalaking electromagnetic system.

Ang unang pang-eksperimentong pasilidad sa mundo, ang T-7, ay inilunsad, na idinisenyo upang pag-aralan ang posibilidad ng pagsisimula ng isang fusion reaction, kung saan ang mga superconducting coils ay kinakailangan upang lumikha ng isang toroidal magnetic field.Sa malalaking particle accelerators, ang mga superconducting coils ay ginagamit din sa liquid hydrogen bubble chambers.

Ang mga generator ng turbine ay binuo at nilikha (noong 80s ng huling siglo, ang mga ultra-makapangyarihang turbine generator na KGT-20 at KGT-1000 ay nilikha batay sa mga superconductors), mga de-koryenteng motor, mga cable, magnetic separator, mga sistema ng transportasyon, atbp.

Ang mga flowmeter, level gauge, barometer, thermometer — ang mga superconductor ay mahusay para sa lahat ng mga instrumentong ito ng katumpakan. Ang pangunahing mga pangunahing lugar ng pang-industriya na aplikasyon ng mga superconductor ay nananatiling dalawa: mga magnetic system at mga de-koryenteng makina.

Dahil ang superconductor ay hindi pumasa sa magnetic flux, nangangahulugan ito na ang isang produkto ng ganitong uri ay sumasangga sa magnetic radiation. Ang pag-aari na ito ng mga superconductor ay ginagamit sa mga precision microwave device, gayundin upang maprotektahan laban sa isang mapanganib na nakakapinsalang kadahilanan ng isang nuclear explosion bilang malakas na electromagnetic radiation.

Bilang resulta, ang mga superconductor na may mababang temperatura ay nananatiling kailangang-kailangan para sa paglikha ng mga magnet sa mga kagamitan sa pananaliksik tulad ng mga particle accelerator at fusion reactor.

Ang mga magnetic levitation na tren, na aktibong ginagamit ngayon sa Japan, ay maaari na ngayong gumalaw sa bilis na 600 km / h at matagal nang napatunayan ang kanilang pagiging posible at kahusayan.

Ang kawalan ng electrical resistance sa mga superconductor ay ginagawang mas matipid ang proseso ng paglilipat ng elektrikal na enerhiya. Halimbawa, ang isang superconducting na manipis na cable na inilatag sa ilalim ng lupa ay sa prinsipyo ay maaaring magpadala ng kapangyarihan na mangangailangan ng isang makapal na bundle ng mga wire-isang masalimuot na linya-upang ipadala ito sa tradisyonal na paraan.

Sa kasalukuyan, tanging ang mga isyu sa gastos at pagpapanatili na nauugnay sa pangangailangan na patuloy na mag-bomba ng nitrogen sa pamamagitan ng system ang nananatiling may kaugnayan. Gayunpaman, noong 2008, matagumpay na inilunsad ng American Superconductor ang unang commercial superconducting transmission line sa New York.

Bilang karagdagan, mayroong pang-industriya na teknolohiya ng baterya na nagpapahintulot sa ngayon na maipon at mag-imbak (mag-ipon) ng enerhiya sa anyo ng isang patuloy na nagpapalipat-lipat na kasalukuyang.

Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga superconductor sa mga semiconductors, ang mga siyentipiko ay lumilikha ng mga ultrafast na quantum computer na nagpapakilala sa mundo sa isang bagong henerasyon ng teknolohiya sa pag-compute.

Ang kababalaghan ng pag-asa ng temperatura ng paglipat ng isang sangkap sa isang superconducting state sa magnitude ng magnetic field ay ang batayan ng mga kinokontrol na resistors - cryotrons.

Sa ngayon, siyempre, maaari nating pag-usapan ang tungkol sa makabuluhang pag-unlad sa mga tuntunin ng pag-unlad patungo sa pagkuha ng mga superconductor na may mataas na temperatura.

Halimbawa, ang metal-ceramic na komposisyon na YBa2Cu3Ox ay napupunta sa superconducting state sa temperaturang mas mataas sa liquefaction temperature ng nitrogen!

Gayunpaman, karamihan sa mga solusyon na ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga sample na nakuha ay marupok at hindi matatag; samakatuwid, ang mga nabanggit na niobium alloys ay may kaugnayan pa rin sa teknolohiya.

Ginagawang posible ng mga superconductor na lumikha ng mga photon detector. Ang ilan sa kanila ay gumagamit ng Andreev reflection, ang iba ay gumagamit ng Josephson effect, ang katotohanan ng pagkakaroon ng isang kritikal na kasalukuyang, atbp.

Binuo ang mga detector na nagtatala ng mga solong photon mula sa infrared range, na nagpapakita ng ilang mga pakinabang kaysa sa mga detector batay sa iba pang mga prinsipyo ng pag-record, tulad ng mga photoelectric multiplier, atbp.

Ang mga cell ng memorya ay maaaring malikha batay sa mga vortices sa mga superconductor. Ang ilang mga magnetic soliton ay ginagamit na sa katulad na paraan. Ang dalawang-dimensional at tatlong-dimensional na magnetic soliton ay katulad ng mga vortice sa isang likido, kung saan ang papel ng mga streamline ay ginagampanan ng mga linya ng pagkakahanay ng domain.

Ang mga pusit ay mga miniature ring-based na superconductor device na gumagana batay sa kaugnayan sa pagitan ng mga pagbabago sa magnetic flux at electric voltage. Gumagana ang mga naturang microdevice sa mga napakasensitibong magnetometer na may kakayahang sukatin ang magnetic field ng Earth, gayundin sa mga kagamitang medikal para sa pagkuha ng mga magnetogram ng mga na-scan na organ.