Aplicarea supraconductivității în știință și tehnologie

Supraconductivitatea se numește fenomen cuantic, care constă în faptul că unele materiale, atunci când temperatura lor este adusă la o anumită valoare critică, încep să prezinte rezistență electrică zero.

Astăzi, oamenii de știință cunosc deja câteva sute de elemente, aliaje și ceramică capabile să se comporte în acest fel. Un conductor care a intrat într-o stare supraconductivă începe să arate cum se numește efectul Meissner, când câmpul magnetic din volumul său este complet deplasat spre exterior, ceea ce, desigur, contrazice descrierea clasică a efectelor asociate conducerii obișnuite în condițiile unui ideal ipotetic, adică rezistență zero.

În perioada 1986-1993 s-au descoperit o serie de supraconductori la temperatură înaltă, adică cei care trec în stare supraconductivă nu mai la temperaturi atât de scăzute precum punctul de fierbere al heliului lichid (4,2 K), ci la fierbere. punctul de azot lichid (77 K) — de 18 ori mai mare, ceea ce în condiții de laborator poate fi realizat mult mai ușor și mai ieftin decât cu heliu.

Interes crescut pentru aplicarea practică supraconductivitate a început în anii 1950, când supraconductorii de tip II, cu densitatea lor mare de curent și inducția magnetică, au trecut strălucitor peste orizont. Apoi au început să capete din ce în ce mai multă importanță practică.

Legea inducției electromagnetice ne spune că în jurul curentului electric există întotdeauna camp magnetic... Și deoarece supraconductorii conduc curentul fără rezistență, este suficient pur și simplu să mențineți astfel de materiale la temperaturi potrivite și să obțineți astfel piese pentru crearea electromagneților ideali.

De exemplu, în diagnosticul medical, tehnologia imagistică prin rezonanță magnetică implică utilizarea unor electromagneți supraconductori puternici în tomografe. Fără ele, medicii nu ar putea obține imagini atât de impresionante de înaltă rezoluție ale țesuturilor interne ale corpului uman fără a recurge la utilizarea unui bisturiu.

Au căpătat o mare importanță aliajele supraconductoare precum niobiul-titan și intermetalicele niobiului-staniu, din care din punct de vedere tehnic este ușor să se obțină filamente supraconductoare subțiri stabile și fire spiralate.

Oamenii de știință au creat de mult timp lichefioare și frigidere cu capacitate mare de răcire (la nivelul temperaturii heliului lichid), ei au contribuit la dezvoltarea tehnologiei supraconductoare înapoi în URSS. Chiar și atunci, în anii 1980, au fost construite sisteme electromagnetice mari.

A fost lansată prima instalație experimentală din lume, T-7, concepută pentru a studia posibilitatea inițierii unei reacții de fuziune, în care sunt necesare bobine supraconductoare pentru a crea un câmp magnetic toroidal.În acceleratoarele de particule mari, bobinele supraconductoare sunt, de asemenea, utilizate în camerele cu bule de hidrogen lichid.

Sunt dezvoltate și create generatoare cu turbină (în anii 80 ai secolului trecut, pe baza de supraconductori au fost create generatoare cu turbină ultra-puternice KGT-20 și KGT-1000), motoare electrice, cabluri, separatoare magnetice, sisteme de transport etc.

Debitmetre, manometre, barometre, termometre — supraconductorii sunt grozavi pentru toate aceste instrumente de precizie Principalele domenii de aplicare industriale a supraconductorilor rămân două: sisteme magnetice și mașini electrice.

Deoarece supraconductorul nu trece de fluxul magnetic, aceasta înseamnă că un produs de acest tip protejează radiația magnetică. Această proprietate a supraconductorilor este utilizată în dispozitivele cu microunde de precizie, precum și pentru a proteja împotriva unui factor de deteriorare atât de periculos al unei explozii nucleare precum radiația electromagnetică puternică.

Ca urmare, supraconductorii de joasă temperatură rămân indispensabili pentru crearea de magneți în echipamentele de cercetare, cum ar fi acceleratoarele de particule și reactoarele de fuziune.

Trenurile cu levitație magnetică, care sunt folosite în mod activ astăzi în Japonia, se pot deplasa acum cu o viteză de 600 km/h și și-au dovedit de mult fezabilitatea și eficiența.

Absența rezistenței electrice în supraconductori face ca procesul de transfer al energiei electrice să fie mai economic. De exemplu, un cablu subțire supraconductor așezat sub pământ ar putea, în principiu, să transmită putere care ar necesita un mănunchi gros de fire – o linie greoaie – pentru a o transmite în mod tradițional.

În prezent, doar problemele legate de cost și întreținere asociate cu necesitatea de a pompa continuu azot prin sistem rămân relevante. Cu toate acestea, în 2008, American Superconductor a lansat cu succes prima linie comercială de transmisie superconductivă în New York.

În plus, există tehnologia bateriei industriale care permite astăzi acumularea și stocarea (acumularea) energiei sub forma unui curent continuu de circulație.

Combinând supraconductori cu semiconductori, oamenii de știință creează computere cuantice ultrarapide care introduc lumea într-o nouă generație de tehnologie de calcul.

Fenomenul dependenței temperaturii de tranziție a unei substanțe în stare supraconductoare de mărimea câmpului magnetic stă la baza rezistențelor controlate - criotroni.

În momentul de față, desigur, putem vorbi despre progrese semnificative în ceea ce privește progresul către obținerea de supraconductori la temperatură înaltă.

De exemplu, compoziția metalo-ceramică YBa2Cu3Ox intră în stare supraconductoare la o temperatură peste temperatura de lichefiere a azotului!

Cu toate acestea, majoritatea acestor soluții se datorează faptului că probele obținute sunt fragile și instabile; prin urmare, aliajele de niobiu menționate mai sus sunt încă relevante în tehnologie.

Supraconductorii fac posibilă crearea de detectoare de fotoni. Unii dintre ei folosesc reflexia Andreev, alții folosesc efectul Josephson, faptul prezenței unui curent critic etc.

Au fost construite detectoare care înregistrează fotoni unici din gama infraroșu, care prezintă o serie de avantaje față de detectoarele bazate pe alte principii de înregistrare, cum ar fi multiplicatorii fotoelectrici etc.

Celulele de memorie pot fi create pe baza vortexurilor din supraconductori. Unii solitoni magnetici sunt deja utilizați într-un mod similar. Soloninii magnetici bidimensionali și tridimensionali sunt similari cu vortexurile dintr-un lichid, unde rolul liniilor de curgere este jucat de liniile de aliniere a domeniului.

Calamarii sunt dispozitive supraconductoare miniaturale pe bază de inele care funcționează pe baza relației dintre modificările fluxului magnetic și tensiunea electrică. Astfel de microdispozitive funcționează în magnetometre extrem de sensibile capabile să măsoare câmpul magnetic al Pământului, precum și în echipamente medicale pentru obținerea magnetogramelor organelor scanate.