Tillämpning av supraledning inom vetenskap och teknik

Superledning kallas ett kvantfenomen, som består i att vissa material, när deras temperatur bringas till ett visst kritiskt värde, börjar uppvisa noll elektriskt motstånd.

Idag känner forskarna redan till flera hundra grundämnen, legeringar och keramik som kan bete sig på detta sätt. En ledare som har gått in i ett supraledande tillstånd börjar visa vad som kallas Meissner-effekt, när magnetfältet från dess volym är helt förskjutet utåt, vilket naturligtvis motsäger den klassiska beskrivningen av effekterna förknippade med vanlig ledning under förhållanden av ett hypotetiskt ideal, det vill säga nollresistans.

Under perioden 1986 till 1993 upptäcktes ett antal högtemperatursupraledare, det vill säga de som övergår i ett supraledande tillstånd inte längre vid så låga temperaturer som kokpunkten för flytande helium (4,2 K), utan vid kokpunkten. punkt flytande kväve ( 77 K) — 18 gånger högre, vilket i laboratorieförhållanden kan uppnås mycket lättare och billigare än med helium.

Ökat intresse för praktisk tillämpning supraledning började på 1950-talet när supraledare av typ II, med sin höga strömtäthet och magnetiska induktion, kom ljust över horisonten. Sedan började de få mer och mer praktisk betydelse.

Lagen om elektromagnetisk induktion säger oss att det alltid finns runt elektrisk ström magnetiskt fält... Och eftersom supraledare leder ström utan motstånd räcker det helt enkelt att hålla sådana material vid rätt temperaturer och på så sätt skaffa delar för att skapa ideala elektromagneter.

Till exempel, inom medicinsk diagnostik, involverar magnetisk resonansavbildningsteknik användningen av kraftfulla supraledande elektromagneter i tomografer. Utan dem skulle läkare inte kunna få så imponerande högupplösta bilder av människokroppens inre vävnader utan att använda en skalpell.

Supraledande legeringar som niob-titan och niob-tenn intermetallics har fått stor betydelse, från vilka det är tekniskt enkelt att få stabila tunna supraledande filament och tvinnade trådar.

Forskare har för länge sedan skapat kondensatorer och kylskåp med hög kylkapacitet (vid temperaturnivån för flytande helium), det var de som bidrog till utvecklingen av supraledande teknik tillbaka i Sovjetunionen. Redan då, på 1980-talet, byggdes stora elektromagnetiska system.

Världens första experimentanläggning, T-7, lanserades, designad för att studera möjligheten att initiera en fusionsreaktion, där supraledande spolar behövs för att skapa ett toroidformat magnetfält.I stora partikelacceleratorer används supraledande spolar även i bubbelkammare med flytande väte.

Turbingeneratorer utvecklas och skapas (på 80-talet av förra seklet skapades ultrakraftfulla turbingeneratorer KGT-20 och KGT-1000 på basis av supraledare), elmotorer, kablar, magnetiska separatorer, transportsystem, etc.

Flödesmätare, nivåmätare, barometrar, termometrar — supraledare är utmärkta för alla dessa precisionsinstrument. De huvudsakliga huvudområdena för industriell tillämpning av supraledare är fortfarande två: magnetiska system och elektriska maskiner.

Eftersom supraledaren inte passerar det magnetiska flödet betyder det att en produkt av denna typ skärmar den magnetiska strålningen. Denna egenskap hos supraledare används i precisionsmikrovågsenheter, såväl som för att skydda mot en så farlig skadlig faktor av en kärnexplosion som kraftig elektromagnetisk strålning.

Som ett resultat förblir lågtemperatursupraledare oumbärliga för att skapa magneter i forskningsutrustning som partikelacceleratorer och fusionsreaktorer.

Magnetiska levitationståg, som används aktivt idag i Japan, kan nu röra sig med en hastighet av 600 km/h och har länge bevisat sin genomförbarhet och effektivitet.

Frånvaron av elektriskt motstånd i supraledare gör processen att överföra elektrisk energi mer ekonomisk. Till exempel skulle en supraledande tunn kabel som lagts under jord i princip kunna överföra kraft som skulle kräva ett tjockt knippe ledningar – en krånglig linje – för att överföra den på traditionellt sätt.

För närvarande är endast kostnads- och underhållsproblemen i samband med behovet av att kontinuerligt pumpa kväve genom systemet fortfarande relevanta. Men 2008 lanserade American Superconductor framgångsrikt den första kommersiella supraledande transmissionslinjen i New York.

Dessutom finns industriell batteriteknik som gör att man idag kan ackumulera och lagra (ackumulera) energi i form av en kontinuerlig cirkulerande ström.

Genom att kombinera supraledare med halvledare skapar forskare ultrasnabba kvantdatorer som introducerar världen för en ny generation av datorteknik.

Fenomenet med beroendet av övergångstemperaturen för ett ämne i ett supraledande tillstånd på magnetfältets storlek är grunden för kontrollerade motstånd - kryotroner.

För närvarande kan vi naturligtvis tala om betydande framsteg när det gäller framsteg mot att erhålla högtemperatursupraledare.

Till exempel går den metallkeramiska kompositionen YBa2Cu3Ox in i ett supraledande tillstånd vid en temperatur över kvävets kondensationstemperatur!

De flesta av dessa lösningar beror dock på att de erhållna proverna är ömtåliga och instabila; därför är de tidigare nämnda nioblegeringarna fortfarande relevanta inom tekniken.

Supraledare gör det möjligt att skapa fotondetektorer. Vissa av dem använder Andreev-reflektion, andra använder Josephson-effekten, faktumet av närvaron av en kritisk ström, etc.

Det har byggts detektorer som registrerar enstaka fotoner från det infraröda området, vilket visar en rad fördelar jämfört med detektorer baserade på andra inspelningsprinciper, såsom fotoelektriska multiplikatorer etc.

Minnesceller kan skapas baserat på virvlar i supraledare. Vissa magnetiska solitoner används redan på liknande sätt. Tvådimensionella och tredimensionella magnetiska solitoner liknar virvlar i en vätska, där rollen som strömlinjer spelas av domäninriktningslinjer.

Squids är miniatyrringbaserade supraledareenheter som fungerar baserat på förhållandet mellan förändringar i magnetiskt flöde och elektrisk spänning. Sådana mikroenheter fungerar i mycket känsliga magnetometrar som kan mäta jordens magnetfält, såväl som i medicinsk utrustning för att erhålla magnetogram av skannade organ.