Toepassing van supergeleiding in wetenschap en technologie

Supergeleiding wordt een kwantumverschijnsel genoemd, wat erin bestaat dat sommige materialen, wanneer hun temperatuur op een bepaalde kritische waarde wordt gebracht, een elektrische weerstand van nul beginnen te vertonen.

Tegenwoordig kennen wetenschappers al enkele honderden elementen, legeringen en keramiek die zich op deze manier kunnen gedragen. Een geleider die in een supergeleidende toestand is gegaan, begint te vertonen wat wordt genoemd Meissner-effect, wanneer het magnetische veld van zijn volume volledig naar buiten wordt verplaatst, wat natuurlijk in tegenspraak is met de klassieke beschrijving van de effecten die samenhangen met gewone geleiding onder omstandigheden van een hypothetisch ideaal, dat wil zeggen nul weerstand.

In de periode van 1986 tot 1993 is een aantal hoge-temperatuursupergeleiders ontdekt, dat wil zeggen die in een supergeleidende toestand overgaan, niet meer bij zulke lage temperaturen als het kookpunt van vloeibaar helium (4,2 K), maar bij het kookpunt punt van vloeibare stikstof ( 77 K) - 18 keer hoger, wat onder laboratoriumomstandigheden veel gemakkelijker en goedkoper kan worden bereikt dan met helium.

Toegenomen interesse in praktische toepassing supergeleiding begon in de jaren 1950 toen type II supergeleiders, met hun hoge stroomdichtheid en magnetische inductie, helder aan de horizon verschenen. Toen begonnen ze steeds meer praktisch belang te krijgen.

De wet van elektromagnetische inductie vertelt ons dat er altijd elektrische stroom is magnetisch veld... En aangezien supergeleiders stroom geleiden zonder weerstand, volstaat het om dergelijke materialen gewoon op de juiste temperatuur te houden en zo onderdelen te verkrijgen voor het maken van ideale elektromagneten.

In de medische diagnostiek omvat de technologie voor magnetische resonantiebeeldvorming bijvoorbeeld het gebruik van krachtige supergeleidende elektromagneten in tomografen. Zonder hen zouden artsen niet zulke indrukwekkende hoge resolutie beelden van de interne weefsels van het menselijk lichaam kunnen verkrijgen zonder hun toevlucht te nemen tot het gebruik van een scalpel.

Supergeleidende legeringen zoals niobium-titanium en niobium-tin intermetallische verbindingen hebben aan groot belang gewonnen, waaruit het technisch eenvoudig is om stabiele dunne supergeleidende filamenten en gevlochten draden te verkrijgen.

Wetenschappers hebben al lang geleden liquefiers en koelkasten gemaakt met een hoog koelvermogen (op het temperatuurniveau van vloeibaar helium), zij waren het die hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van supergeleidende technologie in de USSR. Toen al, in de jaren tachtig, werden er grote elektromagnetische systemen gebouwd.

'S Werelds eerste experimentele faciliteit, T-7, werd gelanceerd, ontworpen om de mogelijkheid te bestuderen van het initiëren van een fusiereactie, waarbij supergeleidende spoelen nodig zijn om een ​​ringvormig magnetisch veld te creëren.In grote deeltjesversnellers worden supergeleidende spoelen ook gebruikt in bellenkamers voor vloeibare waterstof.

Turbinegeneratoren worden ontwikkeld en gemaakt (in de jaren 80 van de vorige eeuw werden ultrakrachtige turbinegeneratoren KGT-20 en KGT-1000 gemaakt op basis van supergeleiders), elektromotoren, kabels, magnetische scheiders, transportsystemen, enz.

Debietmeters, niveaumeters, barometers, thermometers - supergeleiders zijn geweldig voor al deze precisie-instrumenten.De belangrijkste industriële toepassingen van supergeleiders blijven twee: magnetische systemen en elektrische machines.

Aangezien de supergeleider de magnetische flux niet doorlaat, betekent dit dat een product van dit type de magnetische straling afschermt. Deze eigenschap van supergeleiders wordt gebruikt in precisiemicrogolfapparaten, maar ook om te beschermen tegen zo'n gevaarlijke schadelijke factor van een nucleaire explosie als krachtige elektromagnetische straling.

Hierdoor blijven lage-temperatuursupergeleiders onmisbaar voor het maken van magneten in onderzoeksapparatuur zoals deeltjesversnellers en fusiereactoren.

Magnetische zweeftreinen, die tegenwoordig actief worden gebruikt in Japan, kunnen nu met een snelheid van 600 km / u rijden en hebben hun haalbaarheid en efficiëntie al lang bewezen.

De afwezigheid van elektrische weerstand in supergeleiders maakt het proces van het overbrengen van elektrische energie zuiniger. Een supergeleidende dunne kabel die ondergronds is gelegd, kan bijvoorbeeld in principe vermogen overbrengen waarvoor een dikke bundel draden nodig is - een omslachtige lijn - om het op de traditionele manier over te dragen.

Momenteel zijn alleen de kosten en onderhoudskwesties die samenhangen met de noodzaak om continu stikstof door het systeem te pompen relevant. In 2008 lanceerde American Superconductor echter met succes de eerste commerciële supergeleidende transmissielijn in New York.

Daarnaast is er de industriële batterijtechnologie die het tegenwoordig mogelijk maakt om energie te accumuleren en op te slaan (accumuleren) in de vorm van een continue circulerende stroom.

Door supergeleiders te combineren met halfgeleiders, creëren wetenschappers ultrasnelle kwantumcomputers die de wereld kennis laten maken met een nieuwe generatie computertechnologie.

Het fenomeen van de afhankelijkheid van de overgangstemperatuur van een stof in een supergeleidende toestand van de grootte van het magnetische veld is de basis van gecontroleerde weerstanden - cryotrons.

Op dit moment kunnen we natuurlijk praten over aanzienlijke vooruitgang in termen van vooruitgang bij het verkrijgen van hoge-temperatuursupergeleiders.

Zo gaat de metaal-keramische samenstelling YBa2Cu3Ox in een supergeleidende toestand bij een temperatuur boven de vloeibaarmakingstemperatuur van stikstof!

De meeste van deze oplossingen zijn echter te wijten aan het feit dat de verkregen monsters kwetsbaar en onstabiel zijn; daarom zijn de bovengenoemde niobiumlegeringen nog steeds relevant in de technologie.

Supergeleiders maken het mogelijk om fotonendetectoren te maken. Sommigen van hen gebruiken Andreev-reflectie, anderen gebruiken het Josephson-effect, het feit van de aanwezigheid van een kritische stroom, enz.

Er zijn detectoren gebouwd die afzonderlijke fotonen uit het infraroodbereik registreren, wat een aantal voordelen heeft ten opzichte van detectoren die zijn gebaseerd op andere opnameprincipes, zoals foto-elektrische vermenigvuldigers, enz.

Geheugencellen kunnen worden gemaakt op basis van wervels in supergeleiders. Sommige magnetische solitonen worden al op een vergelijkbare manier gebruikt. Tweedimensionale en driedimensionale magnetische solitonen zijn vergelijkbaar met wervels in een vloeistof, waarbij de rol van stroomlijnen wordt gespeeld door domeinuitlijningslijnen.

Inktvissen zijn miniatuurringgebaseerde supergeleiderapparaten die werken op basis van de relatie tussen veranderingen in magnetische flux en elektrische spanning. Dergelijke micro-apparaten werken in zeer gevoelige magnetometers die het magnetische veld van de aarde kunnen meten, evenals in medische apparatuur voor het verkrijgen van magnetogrammen van gescande organen.