Kas ir supravadīts materiāls

Kad temperatūra nokrītas līdz noteiktai kritiskai temperatūrai, dažu materiālu pretestība pilnībā izzūd. Šo fenomenu sauc par supravadītspēju, un materiālus ar šo fenomenu sauc par supravadītājiem. Vēl viena supravadītāju iezīme ir tāda, ka, pazūdot pretestībai, magnētiskās indukcijas līnijas netiks cauri supravadītājam. Šo fenomenu sauc par diamagnetismu.

Vispārējo metālu (piemēram, vara) pretestība pakāpeniski samazinās līdz ar temperatūras pazemināšanos. Kad temperatūra ir tuvu 0K, tā pretestība sasniedz noteiktu vērtību. 1919. gadā holandiešu zinātnieks Onness izmantoja šķidru hēliju dzīvsudraba atdzesēšanai. Kad temperatūra nokritās līdz 4,2 K (ti, -269 ° C), viņš atklāja, ka dzīvsudraba pretestība pilnībā izzuda.

Supravadītspēja un diamagnetisms ir divas svarīgas supravadītāju īpašības. Temperatūru, kurā supravadītāja pretestība ir nulle, sauc par kritisko temperatūru (TC). Supravadošo materiālu izpētes problēma ir izlauzties cauri&temperatūras barjerai, tas ir, atrast augstas temperatūras supravadītājus.

NbTi un Nb3Sn pārstāvētie praktiskie supravadīšanas materiāli ir komercializēti un izmantoti daudzās jomās, piemēram, cilvēka kodolmagnētiskās rezonanses attēlveidošana (NMRI), supravadoši magnēti un lieli paātrinātāju magnēti; SQUID ir izmantots kā supravadītāju vājas strāvas lietojumu modelis. Tam ir svarīga loma vāju elektromagnētisko signālu mērīšanā, un tā jutīgumu nav iespējams sasniegt nevienā citā supravadītājierīcē. Tomēr, tā kā parasto zemas temperatūras supravadītāju kritiskā temperatūra ir pārāk zema, tie ir jāizmanto dārgās un sarežģītās šķidrā hēlija (4,2K) sistēmās, kas ievērojami ierobežo zemas temperatūras supravadītāju lietojumu attīstību.

Augstas temperatūras oksīda supravadītāju parādīšanās ir izlauzusies cauri temperatūras barjerai un paaugstinājusi supravadītspējas pielietošanas temperatūru no šķidrā hēlija (4.2K) uz šķidru slāpekli (77K). Salīdzinot ar šķidro hēliju, šķidrais slāpeklis ir ļoti ekonomisks dzesētājs, un tam ir lielāka siltuma jauda, ​​kas inženierzinātnēs rada lielas ērtības. Turklāt augstas temperatūras supravadītājiem ir ļoti augstas magnētiskās īpašības, un tos var izmantot, lai radītu spēcīgus magnētiskos laukus virs 20T.

Vispievilcīgākie supravadošo materiālu pielietojumi ir enerģijas ražošana, enerģijas pārvade un enerģijas uzkrāšana. Izmantojot supravadītus materiālus, lai izveidotu supravadoša ģeneratora spoles magnētu, ģeneratora magnētiskā lauka intensitāte var palielināties līdz 50 000 līdz 60 000 Gausa, un enerģijas zudumi gandrīz nav. Salīdzinot ar parastajiem ģeneratoriem, supravadītāju ģeneratoru viena jauda tiek palielināta 5 ~ 10 reizes, enerģijas ražošanas efektivitāte tiek palielināta par 50%; supravadītspējas elektropārvades līnijas un supravadoši transformatori var pārsūtīt enerģiju lietotājiem gandrīz bez zaudējumiem. Saskaņā ar statistiku, aptuveni 15% no vara vai alumīnija stieples pārvades jaudas zudumiem ir pārvades līnijā. Ķīnā enerģijas zudumi gadā ir vairāk nekā 100 miljardi grādu. Ja tā tiek mainīta uz supravadošu enerģijas pārraidi, ietaupītā enerģija ir ekvivalenta jaunajiem desmitiem liela mēroga spēkstaciju; supravadošo magleva vilcienu darbības princips ir izmantot supravadošo materiālu diamagnetiskās īpašības, lai samazinātu supravadītspēju. Vadošais materiāls ir novietots virs pastāvīgā magnēta (vai magnētiskā lauka). Supravadītāja diamagnetisma dēļ magnēta magnētiskā lauka līnijas nevar iziet cauri supravadītājam. Starp magnētu (vai magnētisko lauku) un supravadītāju radīsies atgrūšanas spēks, liekot supravadītājam virs tā levitēt. Šāda veida magnētiskās levitācijas efektu var izmantot, lai izveidotu ātrgaitas supravadītus magnētiskās levitācijas vilcienus, piemēram, ātrgaitas vilcienus Šanhajas Pudongas Starptautiskajā lidostā; supravadošiem datoriem ātrgaitas datoriem ir nepieciešams blīvs komponentu un savienojošo līniju izvietojums integrētās shēmas mikroshēmās, bet blīvi izvietotas shēmas Darbības laikā rodas liels siltuma daudzums. Ja, izmantojot savienojošo vadu vai supravadīšanas ierīci ar ultramikrokarsēšanu, tiek izmantots supravadīts materiāls, kura pretestība ir tuvu nullei, siltuma izkliedēšanas problēmu nebūs, un datora ātrumu var ievērojami uzlabot.