Aplikace supravodivosti ve vědě a technice

Supravodivost se nazývá kvantový jev, který spočívá v tom, že některé materiály, když se jejich teplota dostane na určitou kritickou hodnotu, začnou vykazovat nulový elektrický odpor.

Dnes vědci již znají několik stovek prvků, slitin a keramik, které se mohou takto chovat. Vodič, který přešel do supravodivého stavu, začíná ukazovat, co se nazývá Meissnerův efekt, kdy je magnetické pole z jeho objemu zcela vytlačeno směrem ven, což je ovšem v rozporu s klasickým popisem efektů spojených s obyčejným vedením za podmínek hypotetického ideálu, tedy nulového odporu.

V období 1986 až 1993 byla objevena řada vysokoteplotních supravodičů, tedy těch, které přecházejí do supravodivého stavu již ne při tak nízkých teplotách, jako je bod varu kapalného helia (4,2 K), ale při varu. bod kapalného dusíku ( 77 K) — 18x vyšší, čehož lze v laboratorních podmínkách dosáhnout mnohem snadněji a levněji než u helia.

Zvýšený zájem o praktické aplikace supravodivost začalo v 50. letech 20. století, kdy se supravodiče typu II s vysokou proudovou hustotou a magnetickou indukcí objevily jasně nad obzorem. Poté začaly získávat stále větší praktický význam.

Zákon elektromagnetické indukce nám říká, že kolem elektrického proudu je vždy magnetické pole... A protože supravodiče vedou proud bez odporu, stačí takové materiály jednoduše udržovat na správných teplotách a získat tak díly pro vytvoření ideálních elektromagnetů.

Například v lékařské diagnostice technologie magnetické rezonance zahrnuje použití výkonných supravodivých elektromagnetů v tomografech. Bez nich by lékaři nebyli schopni získat tak působivé snímky vnitřních tkání lidského těla ve vysokém rozlišení, aniž by se uchýlili k použití skalpelu.

Velký význam získaly supravodivé slitiny jako niob-titan a niob-cín, ze kterých je technicky snadné získat stabilní tenká supravodivá vlákna a splétané dráty.

Vědci již dávno vytvořili zkapalňovače a chladničky s vysokou chladicí kapacitou (na teplotní úrovni kapalného helia), byli to oni, kdo přispěl k rozvoji supravodivé technologie zpět v SSSR. Už tehdy, v 80. letech, se stavěly velké elektromagnetické systémy.

Bylo spuštěno první experimentální zařízení na světě, T-7, určené ke studiu možnosti iniciace fúzní reakce, kde jsou zapotřebí supravodivé cívky k vytvoření toroidního magnetického pole.U velkých urychlovačů částic se supravodivé cívky používají také v bublinových komorách na kapalný vodík.

Vyvíjejí se a vznikají turbínové generátory (v 80. letech minulého století vznikly ultravýkonné turbínové generátory KGT-20 a KGT-1000 na bázi supravodičů), elektromotory, kabely, magnetické separátory, dopravní systémy atd.

Průtokoměry, hladinoměry, barometry, teploměry — supravodiče jsou skvělé pro všechny tyto přesné přístroje Hlavní oblasti průmyslové aplikace supravodičů zůstávají dvě: magnetické systémy a elektrické stroje.

Protože supravodič neprochází magnetickým tokem, znamená to, že výrobek tohoto typu magnetické záření stíní. Tato vlastnost supravodičů se využívá v přesných mikrovlnných zařízeních a také k ochraně před tak nebezpečným škodlivým faktorem jaderného výbuchu, jako je silné elektromagnetické záření.

V důsledku toho zůstávají nízkoteplotní supravodiče nepostradatelné pro vytváření magnetů ve výzkumných zařízeních, jako jsou urychlovače částic a fúzní reaktory.

Magnetické levitační vlaky, které se dnes aktivně používají v Japonsku, se nyní mohou pohybovat rychlostí 600 km / h a již dlouho prokázaly svou proveditelnost a účinnost.

Absence elektrického odporu v supravodičích činí proces přenosu elektrické energie ekonomičtějším. Například supravodivý tenký kabel položený pod zemí by v zásadě mohl přenášet výkon, který by vyžadoval tlustý svazek drátů – těžkopádné vedení – k jeho přenosu tradičním způsobem.

V současnosti zůstávají relevantní pouze náklady a problémy s údržbou spojené s potřebou kontinuálně pumpovat dusík systémem. V roce 2008 však společnost American Superconductor úspěšně spustila první komerční supravodivou přenosovou linku v New Yorku.

Kromě toho existuje technologie průmyslových baterií, která dnes umožňuje akumulovat a ukládat (akumulovat) energii ve formě trvalého cirkulujícího proudu.

Kombinací supravodičů s polovodiči vytvářejí vědci ultrarychlé kvantové počítače, které světu představují novou generaci výpočetní techniky.

Jev závislosti teploty přechodu látky v supravodivém stavu na velikosti magnetického pole je základem řízených rezistorů – kryotronů.

V tuto chvíli lze samozřejmě hovořit o výrazném pokroku, pokud jde o pokrok směrem k získávání vysokoteplotních supravodičů.

Například kovokeramická kompozice YBa2Cu3Ox přechází do supravodivého stavu při teplotě nad teplotou zkapalňování dusíku!

Většina těchto řešení je však způsobena skutečností, že získané vzorky jsou křehké a nestabilní; výše uvedené slitiny niobu jsou proto v technologii stále relevantní.

Supravodiče umožňují vytvářet fotonové detektory. Některé z nich využívají Andreevův odraz, jiné Josephsonův efekt, skutečnost přítomnosti kritického proudu atd.

Byly sestrojeny detektory, které zaznamenávají jednotlivé fotony z infračervené oblasti, které vykazují řadu výhod oproti detektorům založeným na jiných principech záznamu, jako jsou fotoelektrické multiplikátory atd.

Paměťové buňky mohou být vytvořeny na základě vírů v supravodičích. Podobným způsobem se již používají některé magnetické solitony. Dvourozměrné a trojrozměrné magnetické solitony jsou podobné vírům v kapalině, kde roli proudnic hrají doménové zarovnávací linie.

Chobotnice jsou miniaturní prstencová supravodičová zařízení, která fungují na základě vztahu mezi změnami magnetického toku a elektrického napětí. Taková mikrozařízení fungují ve vysoce citlivých magnetometrech schopných měřit magnetické pole Země a také v lékařských zařízeních pro získávání magnetogramů snímaných orgánů.