Aplikácia supravodivosti vo vede a technike

Supravodivosť sa nazýva kvantový jav, ktorý spočíva v tom, že niektoré materiály, keď sa ich teplota dostane na určitú kritickú hodnotu, začnú vykazovať nulový elektrický odpor.

Dnes už vedci poznajú niekoľko stoviek prvkov, zliatin a keramiky schopných sa takto správať. Vodič, ktorý prešiel do supravodivého stavu, začína ukazovať, čo sa nazýva Meissnerov efekt, kedy je magnetické pole z jeho objemu úplne posunuté smerom von, čo je samozrejme v rozpore s klasickým popisom efektov spojených s obyčajným vedením za podmienok hypotetického ideálu, teda nulového odporu.

V období rokov 1986 až 1993 bolo objavených množstvo vysokoteplotných supravodičov, teda takých, ktoré prechádzajú do supravodivého stavu už nie pri tak nízkych teplotách ako je bod varu tekutého hélia (4,2 K), ale až pri vare. bod tekutého dusíka ( 77 K) — 18-krát vyšší, čo sa v laboratórnych podmienkach dá dosiahnuť oveľa jednoduchšie a lacnejšie ako s héliom.

Zvýšený záujem o praktickú aplikáciu supravodivosť začala v 50-tych rokoch, keď sa supravodiče typu II s vysokou prúdovou hustotou a magnetickou indukciou dostali na obzor. Potom začali nadobúdať čoraz väčší praktický význam.

Zákon elektromagnetickej indukcie nám hovorí, že okolo elektrického prúdu je vždy magnetické pole... A keďže supravodiče vedú prúd bez odporu, stačí takéto materiály jednoducho udržiavať na správnych teplotách a získať tak súčiastky na vytvorenie ideálnych elektromagnetov.

Napríklad v lekárskej diagnostike technológia magnetickej rezonancie zahŕňa použitie výkonných supravodivých elektromagnetov v tomografoch. Bez nich by lekári nemohli získať také pôsobivé snímky vnútorných tkanív ľudského tela s vysokým rozlíšením bez použitia skalpelu.

Veľký význam získali supravodivé zliatiny ako niób-titán a niób-cín, z ktorých je technicky jednoduché získať stabilné tenké supravodivé vlákna a splietané drôty.

Vedci už dávno vytvorili skvapalňovače a chladničky s vysokou chladiacou kapacitou (na teplotnej úrovni tekutého hélia), boli to oni, ktorí prispeli k rozvoju supravodivej technológie v ZSSR. Už vtedy, v 80. rokoch, sa budovali veľké elektromagnetické systémy.

Bolo spustené prvé experimentálne zariadenie na svete, T-7, určené na štúdium možnosti spustenia fúznej reakcie, kde sú potrebné supravodivé cievky na vytvorenie toroidného magnetického poľa.Vo veľkých urýchľovačoch častíc sa supravodivé cievky používajú aj v bublinových komorách s kvapalným vodíkom.

Vyvíjajú sa a vznikajú turbínové generátory (v 80. rokoch minulého storočia vznikli ultravýkonné turbínové generátory KGT-20 a KGT-1000 na báze supravodičov), elektromotory, káble, magnetické separátory, dopravné systémy atď.

Prietokomery, hladinomery, barometre, teplomery — supravodiče sú skvelé pre všetky tieto presné prístroje Hlavné oblasti priemyselného použitia supravodičov zostávajú dve: magnetické systémy a elektrické stroje.

Keďže supravodič neprechádza magnetickým tokom, znamená to, že výrobok tohto typu tieni magnetické žiarenie. Táto vlastnosť supravodičov sa využíva v presných mikrovlnných zariadeniach, ako aj na ochranu pred takým nebezpečným škodlivým faktorom jadrového výbuchu, akým je silné elektromagnetické žiarenie.

Výsledkom je, že nízkoteplotné supravodiče zostávajú nevyhnutné na vytváranie magnetov vo výskumných zariadeniach, ako sú urýchľovače častíc a fúzne reaktory.

Magnetické levitačné vlaky, ktoré sa dnes aktívne používajú v Japonsku, sa teraz môžu pohybovať rýchlosťou 600 km / h a už dlho preukázali svoju uskutočniteľnosť a účinnosť.

Absencia elektrického odporu v supravodičoch robí proces prenosu elektrickej energie hospodárnejším. Napríklad supravodivý tenký kábel položený pod zemou by v princípe mohol prenášať výkon, ktorý by vyžadoval hrubý zväzok drôtov – ťažkopádne vedenie – na jeho prenos tradičným spôsobom.

V súčasnosti zostávajú relevantné iba náklady a problémy s údržbou spojené s potrebou nepretržitého čerpania dusíka cez systém. V roku 2008 však spoločnosť American Superconductor úspešne spustila prvú komerčnú supravodivú prenosovú linku v New Yorku.

Okrem toho existuje technológia priemyselných batérií, ktorá dnes umožňuje akumulovať a uchovávať (akumulovať) energiu vo forme nepretržitého cirkulujúceho prúdu.

Spojením supravodičov s polovodičmi vedci vytvárajú ultrarýchle kvantové počítače, ktoré svetu predstavujú novú generáciu výpočtovej techniky.

Jav závislosti teploty prechodu látky v supravodivom stave od veľkosti magnetického poľa je základom riadených rezistorov – kryotrónov.

Momentálne môžeme samozrejme hovoriť o výraznom pokroku, pokiaľ ide o pokrok smerom k získavaniu vysokoteplotných supravodičov.

Napríklad kovokeramická kompozícia YBa2Cu3Ox prechádza do supravodivého stavu pri teplote vyššej ako je teplota skvapalňovania dusíka!

Väčšina týchto riešení je však spôsobená skutočnosťou, že získané vzorky sú krehké a nestabilné; preto sú vyššie uvedené zliatiny nióbu stále relevantné v technológii.

Supravodiče umožňujú vytvárať fotónové detektory. Niektoré z nich využívajú Andreevovu reflexiu, iné využívajú Josephsonov efekt, skutočnosť prítomnosti kritického prúdu atď.

Boli postavené detektory, ktoré zaznamenávajú jednotlivé fotóny z infračerveného rozsahu, ktoré vykazujú množstvo výhod oproti detektorom založeným na iných princípoch záznamu, ako sú fotoelektrické multiplikátory atď.

Pamäťové bunky môžu byť vytvorené na základe vírov v supravodičoch. Niektoré magnetické solitóny sa už používajú podobným spôsobom. Dvojrozmerné a trojrozmerné magnetické solitóny sú podobné vírom v kvapaline, kde úlohu prúdnic zohrávajú čiary zarovnania domén.

Kalmáre sú miniatúrne prstencové supravodivé zariadenia, ktoré fungujú na základe vzťahu medzi zmenami magnetického toku a elektrického napätia. Takéto mikrozariadenia fungujú vo vysoko citlivých magnetometroch schopných merať magnetické pole Zeme, ako aj v lekárskych zariadeniach na získavanie magnetogramov snímaných orgánov.