Anvendelse av superledning i vitenskap og teknologi

Superledning kalles et kvantefenomen, som består i det faktum at noen materialer, når temperaturen bringes til en viss kritisk verdi, begynner å vise null elektrisk motstand.

I dag kjenner forskerne allerede til flere hundre grunnstoffer, legeringer og keramikk som er i stand til å oppføre seg på denne måten. En leder som har gått inn i en superledende tilstand begynner å vise hva som kalles Meissner-effekt, når magnetfeltet fra volumet er fullstendig forskjøvet utover, noe som selvfølgelig motsier den klassiske beskrivelsen av effektene forbundet med vanlig ledning under forhold med et hypotetisk ideal, det vil si null motstand.

I perioden fra 1986 til 1993 ble det oppdaget en rekke høytemperatur-superledere, det vil si de som går over i en superledende tilstand ikke lenger ved så lave temperaturer som kokepunktet for flytende helium (4,2 K), men ved kokingen. punkt for flytende nitrogen ( 77 K) — 18 ganger høyere, som under laboratorieforhold kan oppnås mye enklere og billigere enn med helium.

Økt interesse for praktisk anvendelse superledning begynte på 1950-tallet da superledere av type II, med sin høye strømtetthet og magnetiske induksjon, kom lyst over horisonten. Så begynte de å få mer og mer praktisk betydning.

Loven om elektromagnetisk induksjon forteller oss at rundt elektrisk strøm er det alltid magnetfelt... Og siden superledere leder strøm uten motstand, er det nok å holde slike materialer ved riktig temperatur og dermed skaffe deler for å lage ideelle elektromagneter.

For eksempel, i medisinsk diagnostikk involverer magnetisk resonansavbildningsteknologi bruk av kraftige superledende elektromagneter i tomografer. Uten dem ville leger ikke kunne få slike imponerende høyoppløselige bilder av det indre vevet i menneskekroppen uten å ty til bruk av en skalpell.

Superledende legeringer som niob-titan og niob-tinn intermetalliske materialer har fått stor betydning, hvorfra det er teknisk enkelt å få stabile tynne superledende filamenter og trådede ledninger.

Forskere har for lengst laget flytende apparater og kjøleskap med høy kjølekapasitet (på temperaturnivået til flytende helium), det var de som bidro til utviklingen av superledende teknologi tilbake i USSR. Allerede da, på 1980-tallet, ble det bygget store elektromagnetiske systemer.

Verdens første eksperimentelle anlegg, T-7, ble lansert, designet for å studere muligheten for å sette i gang en fusjonsreaksjon, der superledende spoler er nødvendig for å skape et toroidformet magnetfelt.I store partikkelakseleratorer brukes også superledende spoler i flytende hydrogenboblekamre.

Turbingeneratorer utvikles og lages (på 80-tallet av forrige århundre ble ultrakraftige turbingeneratorer KGT-20 og KGT-1000 laget på grunnlag av superledere), elektriske motorer, kabler, magnetiske separatorer, transportsystemer, etc.

Strømningsmålere, nivåmålere, barometre, termometre – superledere er flotte for alle disse presisjonsinstrumentene. Hovedområdene for industriell bruk av superledere er fortsatt to: magnetiske systemer og elektriske maskiner.

Siden superlederen ikke passerer den magnetiske fluksen, betyr dette at et produkt av denne typen skjermer den magnetiske strålingen. Denne egenskapen til superledere brukes i presisjonsmikrobølgeenheter, så vel som for å beskytte mot en så farlig skadelig faktor av en kjernefysisk eksplosjon som kraftig elektromagnetisk stråling.

Som et resultat forblir lavtemperatursuperledere uunnværlige for å lage magneter i forskningsutstyr som partikkelakseleratorer og fusjonsreaktorer.

Magnetiske levitasjonstog, som brukes aktivt i Japan i dag, kan nå bevege seg med en hastighet på 600 km/t og har lenge bevist deres gjennomførbarhet og effektivitet.

Fraværet av elektrisk motstand i superledere gjør prosessen med å overføre elektrisk energi mer økonomisk. For eksempel kan en superledende tynn kabel lagt under jorden i prinsippet overføre kraft som ville kreve en tykk bunt med ledninger – en tungvint linje – for å overføre den på tradisjonell måte.

Foreløpig er det kun kostnads- og vedlikeholdsproblemene knyttet til behovet for kontinuerlig å pumpe nitrogen gjennom systemet som er relevante. Imidlertid lanserte American Superconductor i 2008 den første kommersielle superledende overføringslinjen i New York.

I tillegg kommer industriell batteriteknologi som gjør at man i dag kan akkumulere og lagre (akkumulere) energi i form av en kontinuerlig sirkulerende strøm.

Ved å kombinere superledere med halvledere, skaper forskere ultraraske kvantedatamaskiner som introduserer verden for en ny generasjon datateknologi.

Fenomenet med avhengigheten av overgangstemperaturen til et stoff i en superledende tilstand av størrelsen på magnetfeltet er grunnlaget for kontrollerte motstander - kryotroner.

For øyeblikket kan vi selvfølgelig snakke om betydelige fremskritt når det gjelder fremgang mot å skaffe høytemperatur-superledere.

For eksempel går den metall-keramiske sammensetningen YBa2Cu3Ox inn i en superledende tilstand ved en temperatur over flytende temperatur for nitrogen!

Imidlertid skyldes de fleste av disse løsningene det faktum at prøvene som er oppnådd er skjøre og ustabile; derfor er de nevnte nioblegeringene fortsatt relevante innen teknologi.

Superledere gjør det mulig å lage fotondetektorer. Noen av dem bruker Andreev-refleksjon, andre bruker Josephson-effekten, faktumet om tilstedeværelsen av en kritisk strøm, etc.

Det er bygget detektorer som registrerer enkeltfotoner fra det infrarøde området, som viser en rekke fordeler fremfor detektorer basert på andre opptaksprinsipper, som fotoelektriske multiplikatorer osv.

Minneceller kan lages basert på virvler i superledere. Noen magnetiske solitoner er allerede brukt på lignende måte. Todimensjonale og tredimensjonale magnetiske solitoner ligner på virvler i en væske, der rollen som strømlinjer spilles av domenejusteringslinjer.

Blekksprut er miniatyrringbaserte superlederenheter som opererer basert på forholdet mellom endringer i magnetisk fluks og elektrisk spenning. Slike mikroenheter fungerer i svært følsomme magnetometre som er i stand til å måle jordens magnetfelt, så vel som i medisinsk utstyr for å få magnetogrammer av skannede organer.