Anvendelse af superledning i videnskab og teknologi

Superledning kaldes et kvantefænomen, som består i, at nogle materialer, når deres temperatur bringes til en vis kritisk værdi, begynder at udvise nul elektrisk modstand.

I dag kender forskerne allerede flere hundrede grundstoffer, legeringer og keramik, der er i stand til at opføre sig på denne måde. En leder, der er gået i en superledende tilstand, begynder at vise, hvad der hedder Meissner effekt, når magnetfeltet fra dets volumen er fuldstændigt forskudt udad, hvilket naturligvis modsiger den klassiske beskrivelse af virkningerne forbundet med almindelig ledning under forhold med et hypotetisk ideal, det vil sige nul modstand.

I perioden fra 1986 til 1993 blev der opdaget en række højtemperatur-superledere, det vil sige dem, der ikke længere går over i en superledende tilstand ved så lave temperaturer som kogepunktet for flydende helium (4,2 K), men ved kogningen. punkt af flydende nitrogen ( 77 K) — 18 gange højere, hvilket under laboratorieforhold kan opnås meget lettere og billigere end med helium.

Øget interesse for praktisk anvendelse superledningsevne begyndte i 1950'erne, da type II superledere med deres høje strømtæthed og magnetiske induktion kom lyst over horisonten. Så begyndte de at få mere og mere praktisk betydning.

Loven om elektromagnetisk induktion fortæller os, at der altid er omkring elektrisk strøm magnetfelt... Og da superledere leder strøm uden modstand, er det nok blot at holde sådanne materialer ved de rigtige temperaturer og dermed få dele til at skabe ideelle elektromagneter.

Inden for medicinsk diagnostik involverer magnetisk resonansbilledteknologi f.eks. brugen af ​​kraftige superledende elektromagneter i tomografer. Uden dem ville læger ikke være i stand til at få så imponerende billeder i høj opløsning af menneskekroppens indre væv uden at ty til brugen af ​​en skalpel.

Superledende legeringer som niobium-titanium og niobium-tin intermetalliske materialer har fået stor betydning, hvorfra det er teknisk nemt at opnå stabile tynde superledende filamenter og snoede tråde.

Forskere har for længst skabt flydende apparater og køleskabe med høj kølekapacitet (ved temperaturniveauet for flydende helium), det var dem, der bidrog til udviklingen af ​​superledende teknologi tilbage i USSR. Allerede dengang, i 1980'erne, blev der bygget store elektromagnetiske systemer.

Verdens første forsøgsanlæg, T-7, blev lanceret, designet til at undersøge muligheden for at igangsætte en fusionsreaktion, hvor der er brug for superledende spoler for at skabe et toroidformet magnetfelt.I store partikelacceleratorer bruges superledende spoler også i boblekamre med flydende brint.

Turbinegeneratorer udvikles og skabes (i 80'erne af forrige århundrede blev ultrakraftige turbinegeneratorer KGT-20 og KGT-1000 skabt på basis af superledere), elektriske motorer, kabler, magnetiske separatorer, transportsystemer mv.

Flowmetre, niveaumålere, barometre, termometre - superledere er gode til alle disse præcisionsinstrumenter. De vigtigste hovedområder for industriel anvendelse af superledere er fortsat to: magnetiske systemer og elektriske maskiner.

Da superlederen ikke passerer den magnetiske flux, betyder det, at et produkt af denne type skærmer den magnetiske stråling. Denne egenskab af superledere bruges i præcisionsmikrobølgeanordninger, såvel som til at beskytte mod en så farlig skadelig faktor af en nuklear eksplosion som kraftig elektromagnetisk stråling.

Som følge heraf forbliver lavtemperatur-superledere uundværlige for skabelsen af ​​magneter i forskningsudstyr såsom partikelacceleratorer og fusionsreaktorer.

Magnetiske levitationstog, som i dag bruges aktivt i Japan, kan nu bevæge sig med en hastighed på 600 km/t og har længe bevist deres gennemførlighed og effektivitet.

Fraværet af elektrisk modstand i superledere gør processen med at overføre elektrisk energi mere økonomisk. Eksempelvis kunne et superledende tyndt kabel lagt under jorden i princippet overføre strøm, der ville kræve et tykt bundt ledninger – en besværlig linje – for at overføre den på traditionel vis.

I øjeblikket er det kun de omkostninger og vedligeholdelsesproblemer, der er forbundet med behovet for kontinuerligt at pumpe nitrogen gennem systemet, som er relevante. Men i 2008 lancerede American Superconductor med succes den første kommercielle superledende transmissionslinje i New York.

Derudover er der industriel batteriteknologi, der gør det muligt i dag at akkumulere og lagre (akkumulere) energi i form af en kontinuerlig cirkulerende strøm.

Ved at kombinere superledere med halvledere skaber forskerne ultrahurtige kvantecomputere, der introducerer verden for en ny generation af computerteknologi.

Fænomenet med afhængigheden af ​​overgangstemperaturen for et stof i en superledende tilstand af størrelsen af ​​det magnetiske felt er grundlaget for kontrollerede modstande - kryotroner.

I øjeblikket kan vi selvfølgelig tale om betydelige fremskridt med hensyn til fremskridt hen imod at opnå højtemperatur-superledere.

For eksempel går den metalkeramiske sammensætning YBa2Cu3Ox i en superledende tilstand ved en temperatur over nitrogenets flydende temperatur!

Imidlertid skyldes de fleste af disse løsninger, at de opnåede prøver er skrøbelige og ustabile; derfor er de førnævnte niobiumlegeringer stadig relevante i teknologien.

Superledere gør det muligt at skabe fotondetektorer. Nogle af dem bruger Andreev-refleksion, andre bruger Josephson-effekten, kendsgerningen om tilstedeværelsen af ​​en kritisk strøm osv.

Der er bygget detektorer, der optager enkeltfotoner fra det infrarøde område, som viser en række fordele i forhold til detektorer baseret på andre optageprincipper, såsom fotoelektriske multiplikatorer mv.

Hukommelsesceller kan skabes baseret på hvirvler i superledere. Nogle magnetiske solitoner bruges allerede på lignende måde. Todimensionelle og tredimensionelle magnetiske solitoner ligner hvirvler i en væske, hvor rollen som strømlinjer spilles af domænejusteringslinjer.

Blæksprutter er miniaturering-baserede superlederenheder, der fungerer baseret på forholdet mellem ændringer i magnetisk flux og elektrisk spænding. Sådanne mikroenheder fungerer i meget følsomme magnetometre, der er i stand til at måle Jordens magnetfelt, såvel som i medicinsk udstyr til at opnå magnetogrammer af scannede organer.