Ами ако… получим високотемпературни свръхпроводници? Връзки на надеждата
Преносни линии без загуби, нискотемпературна електротехника, суперелектромагнити, накрая нежно компресиране на милиони градуси плазма в термоядрени реактори, тиха и бърза магнитна релса. Имаме толкова много надежди за свръхпроводниците...
Свръхпроводимост материалното състояние на нулево електрическо съпротивление се нарича. Това се постига в някои материали при много ниски температури. Той откри този квантов феномен Камерлинг Оннес (1) в живак, през 1911 г. Класическата физика не успява да го опише. В допълнение към нулевото съпротивление, друга важна характеристика на свръхпроводниците е изтласква магнитното поле извън неговия обемт. нар. ефект на Майснер (при свръхпроводници тип I) или фокусиране на магнитното поле във "вихри" (при свръхпроводници тип II).
Повечето свръхпроводници работят само при температури, близки до абсолютната нула. Съобщава се, че е 0 Келвина (-273,15 °C). Движението на атомите при тази температура почти го няма. Това е ключът към свръхпроводниците. Както обикновено електроните движещи се в проводника се сблъскват с други вибриращи атоми, причинявайки загуба на енергия и устойчивост. Знаем обаче, че свръхпроводимостта е възможна при по-високи температури. Постепенно откриваме материали, които показват този ефект при по-ниски минус Целзий, а напоследък дори при плюс. Това обаче отново обикновено се свързва с прилагането на изключително високо налягане. Най-голямата мечта е да се създаде тази технология при стайна температура без гигантски натиск.
Физическата основа за появата на състоянието на свръхпроводимост е образуване на двойки товарозахващачи - така нареченият Купър. Такива двойки могат да възникнат в резултат на обединението на два електрона с подобни енергии. Ферми енергия, т.е. най-малката енергия, с която ще се увеличи енергията на една фермионна система след добавянето на още един елемент, дори когато енергията на взаимодействието между тях е много малка. Това променя електрическите свойства на материала, тъй като единичните носители са фермиони, а двойките са бозони.
Сътрудничи следователно това е система от два фермиона (например електрони), взаимодействащи един с друг чрез вибрации на кристалната решетка, наречени фонони. Феноменът е описан Леона сътрудничи през 1956 г. и е част от теорията на BCS за нискотемпературна свръхпроводимост. Фермионите, съставляващи двойката Купър, имат половин спинове (които са насочени в противоположни посоки), но резултантният спин на системата е пълен, тоест двойката Купър е бозон.
Свръхпроводници при определени температури са някои елементи, например кадмий, калай, алуминий, иридий, платина, други преминават в състояние на свръхпроводимост само при много високо налягане (например кислород, фосфор, сяра, германий, литий) или в под формата на тънки слоеве (волфрам, берилий, хром), а някои все още може да не са свръхпроводими, като сребро, мед, злато, благородни газове, водород, въпреки че златото, среброто и медта са сред най-добрите проводници при стайна температура.
„Високата температура“ все още изисква много ниски температури
В 1964 година Уилям А. Литъл предположи възможността за съществуване на високотемпературна свръхпроводимост в органични полимери. Това предложение се основава на медиирано от екситон електронно сдвояване, за разлика от фононно медиирано сдвояване в теорията на BCS. Терминът "високотемпературни свръхпроводници" е използван за описание на нова фамилия перовскитни керамики, открити от Johannes G. Bednorz и C.A. Мюлер през 1986 г., за което получават Нобелова награда. Тези нови керамични свръхпроводници (2) са направени от мед и кислород, смесени с други елементи като лантан, барий и бисмут.
2. Керамична плоча, която се рее над мощни магнити
От наша гледна точка "високотемпературната" свръхпроводимост все още беше много ниска. За нормални налягания границата беше -140°C и дори такива свръхпроводници се наричаха „високотемпературни“. Температурата на свръхпроводимост от -70°C за сероводорода е достигната при изключително високо налягане. Въпреки това, високотемпературните свръхпроводници изискват сравнително евтин течен азот, а не течен хелий за охлаждане, което е от съществено значение.
От друга страна, той е предимно крехка керамика, не е много практичен за използване в електрически системи.
Учените все още вярват, че има по-добър вариант, който чака да бъде открит, чудесен нов материал, който ще отговаря на критерии като свръхпроводимост при стайна температурадостъпни и практични за използване. Някои изследвания са фокусирани върху медта, сложен кристал, който съдържа слоеве от медни и кислородни атоми. Продължават изследванията върху някои аномални, но научно необясними съобщения, че напоеният с вода графит може да действа като свръхпроводник при стайна температура.
Последните години бяха истински поток от "революции", "пробиви" и "нови глави" в областта на свръхпроводимостта при по-високи температури. През октомври 2020 г. беше съобщено за свръхпроводимост при стайна температура (при 15°C). въглероден дисулфид хидрид (3), обаче, при много високо налягане (267 GPa), генерирано от зеления лазер. Светият Граал, който би бил сравнително евтин материал, който би бил свръхпроводим при стайна температура и нормално налягане, все още не е намерен.
3. Въглероден материал, който е свръхпроводим при 15°C.
Зората на магнитната ера
Изброяването на възможните приложения на високотемпературни свръхпроводници може да започне с електроника и компютърна техника, логически устройства, елементи на паметта, ключове и връзки, генератори, усилватели, ускорители на частици. Следващи в списъка: високочувствителни устройства за измерване на магнитни полета, напрежения или токове, магнити за MRI медицински изделия, магнитни устройства за съхранение на енергия, левитиращи влакове-стрели, двигатели, генератори, трансформатори и електропроводи. Основните предимства на тези мечтани свръхпроводящи устройства ще бъдат ниското разсейване на мощността, високата скорост на работа и изключителна чувствителност.
за свръхпроводници. Има причина електроцентралите често да се строят близо до оживени градове. Дори 30 процента. създадени от тях Електрическа енергия може да се загуби по преносните линии. Това е често срещан проблем с електрическите уреди. По-голямата част от енергията отива за топлина. Следователно значителна част от повърхността на компютъра е запазена за охлаждащи части, които помагат за разсейването на топлината, генерирана от веригите.
Свръхпроводниците решават проблема със загубите на енергия за топлина. Като част от експерименти учените например успяват да си изкарват прехраната електрически ток вътре в свръхпроводящия пръстен над две години. И това е без допълнителна енергия.
Единствената причина, поради която токът спря беше, че нямаше достъп до течен хелий, а не защото токът не можеше да продължи да тече. Нашите експерименти ни карат да вярваме, че токове в свръхпроводящи материали могат да текат стотици хиляди години, ако не и повече. Електрическият ток в свръхпроводниците може да тече вечно, пренасяйки енергия безплатно.
в никакво съпротивление огромен ток може да тече през свръхпроводящия проводник, което от своя страна генерира магнитни полета с невероятна мощност. Те могат да се използват за левитиране на маглев влакове (4), които вече могат да достигнат скорост до 600 km/h и се основават на свръхпроводящи магнити. Или ги използвайте в електроцентрали, заменяйки традиционните методи, при които турбините се въртят в магнитни полета за генериране на електричество. Мощните свръхпроводящи магнити могат да помогнат за контролиране на реакцията на синтез. Свръхпроводящият проводник може да действа като идеално устройство за съхранение на енергия, а не като батерия, и потенциалът в системата ще се запази за хиляда и милион години.
В квантовите компютри можете да течете по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка в свръхпроводник. Корабните и автомобилните двигатели биха били десет пъти по-малки, отколкото са днес, а скъпите медицински диагностични ЯМР апарати биха се побрали в дланта ви. Събирана от ферми в огромните пустини по света, слънчевата енергия може да се съхранява и пренася без никакви загуби.
4. Японски маглев влак
Според физика и известен популяризатор на науката, Какутехнологии като свръхпроводниците ще въведат нова ера. Ако все още живеехме в ерата на електричеството, свръхпроводниците при стайна температура щяха да донесат със себе си ерата на магнетизма.
