Ce se întâmplă dacă... primim supraconductori la temperatură înaltă? Legături de speranță

Linii de transmisie fără pierderi, inginerie electrică la temperatură joasă, superelectromagneți, comprimând în sfârșit milioane de grade de plasmă în reactoare termonucleare, o șină maglev liniștită și rapidă. Avem atât de multe speranțe pentru supraconductori...

Superconductivitate starea materialului de rezistență electrică zero se numește. Acest lucru se realizează în unele materiale la temperaturi foarte scăzute. El a descoperit acest fenomen cuantic Kamerling Onnes (1) în mercur, în 1911. Fizica clasică nu reușește să-l descrie. Pe lângă rezistența zero, o altă caracteristică importantă a supraconductorilor este împinge câmpul magnetic din volumul săuașa-numitul efect Meissner (la supraconductorii de tip I) sau focalizarea câmpului magnetic în „vârtejuri” (la supraconductorii de tip II).

Majoritatea supraconductoarelor funcționează doar la temperaturi apropiate de zero absolut. Se raportează că este 0 Kelvin (-273,15 °C). Mișcarea atomilor la această temperatură este aproape inexistentă. Aceasta este cheia supraconductoarelor. În mod normal electronii care se deplasează în conductor se ciocnesc cu alți atomi care vibrează, provocând pierderi de energie și rezistență. Cu toate acestea, știm că supraconductivitatea este posibilă la temperaturi mai ridicate. Treptat, descoperim materiale care arată acest efect la un minus Celsius mai mic, iar recent chiar la plus. Cu toate acestea, aceasta din nou este asociată de obicei cu aplicarea unei presiuni extrem de ridicate. Cel mai mare vis este de a crea această tehnologie la temperatura camerei fără presiune gigantică.

Baza fizică pentru apariția stării de supraconductivitate este formarea de perechi de apucatoare de marfă - asa numitul Cooper. Astfel de perechi pot apărea ca urmare a unirii a doi electroni cu energii similare. Energia Fermi, adică cea mai mică energie cu care energia unui sistem fermionic va crește după adăugarea unui alt element, chiar și atunci când energia interacțiunii care le leagă este foarte mică. Acest lucru modifică proprietățile electrice ale materialului, deoarece purtătorii unici sunt fermioni, iar perechile sunt bosoni.

Coopera prin urmare, este un sistem de doi fermioni (de exemplu, electroni) care interacționează între ei prin vibrații ale rețelei cristaline, numite fononi. Fenomenul a fost descris Leona cooperează în 1956 și face parte din teoria BCS a supraconductivității la temperatură joasă. Fermionii care alcătuiesc perechea Cooper au semi-spinuri (care sunt direcționate în direcții opuse), dar spinul rezultat al sistemului este plin, adică perechea Cooper este un boson.

Supraconductorii la anumite temperaturi sunt unele elemente, de exemplu, cadmiu, staniu, aluminiu, iridiu, platină, altele trec în starea de supraconductivitate doar la presiune foarte mare (de exemplu, oxigen, fosfor, sulf, germaniu, litiu) sau în formă de straturi subțiri (wolfram, beriliu, crom), iar unele pot să nu fie încă supraconductoare, cum ar fi argintul, cuprul, aurul, gazele nobile, hidrogenul, deși aurul, argintul și cuprul sunt printre cei mai buni conductori la temperatura camerei.

„Temperatura înaltă” necesită încă temperaturi foarte scăzute

In anul 1964 William A. Little a sugerat posibilitatea existenței supraconductivității la temperatură înaltă în polimeri organici. Această propunere se bazează pe împerecherea electronilor mediată de exciton, spre deosebire de împerecherea mediată de fononi în teoria BCS. Termenul „superconductori de temperatură înaltă” a fost folosit pentru a descrie o nouă familie de ceramică perovskită descoperită de Johannes G. Bednorz și C.A. Müller în 1986, pentru care au primit Premiul Nobel. Acești noi supraconductori ceramici (2) au fost fabricați din cupru și oxigen amestecat cu alte elemente precum lantan, bariu și bismut.

2. Placă ceramică care plutește deasupra magneților puternici

Din punctul nostru de vedere, supraconductibilitatea „la temperatură înaltă” era încă foarte scăzută. Pentru presiuni normale, limita era de -140°C, și chiar și astfel de supraconductori erau numiți „de temperatură înaltă”. Temperatura de supraconductivitate de -70°C pentru hidrogenul sulfurat a fost atinsă la presiuni extrem de mari. Cu toate acestea, supraconductorii de înaltă temperatură necesită azot lichid relativ ieftin pentru răcire, mai degrabă decât heliu lichid, care este esențial.

Pe de altă parte, este în mare parte ceramică fragilă, nu foarte practică pentru utilizarea în sistemele electrice.

Oamenii de știință încă cred că există o opțiune mai bună care așteaptă să fie descoperită, un material nou minunat care va îndeplini criterii precum supraconductivitate la temperatura camereiaccesibil și practic de utilizat. Unele cercetări s-au concentrat pe cupru, un cristal complex care conține straturi de cupru și atomi de oxigen. Cercetările continuă cu privire la unele rapoarte anormale, dar neexplicate științific, conform cărora grafitul îmbibat în apă poate acționa ca un supraconductor la temperatura camerei.

Ultimii ani au fost un veritabil flux de „revoluții”, „descoperiri” și „noi capitole” în domeniul supraconductivității la temperaturi mai ridicate. În octombrie 2020, a fost raportată supraconductivitate la temperatura camerei (la 15°C). hidrură de disulfură de carbon (3), totuși, la presiune foarte mare (267 GPa) generată de laserul verde. Sfântul Graal, care ar fi un material relativ ieftin care ar fi supraconductor la temperatura camerei și la presiune normală, nu a fost încă găsit.

3. Material pe bază de carbon supraconductiv la 15°C.

Zorii epocii magnetice

Enumerarea posibilelor aplicații ale supraconductorilor de înaltă temperatură poate începe cu electronice și calculatoare, dispozitive logice, elemente de memorie, comutatoare și conexiuni, generatoare, amplificatoare, acceleratoare de particule. Următorul pe listă: dispozitive extrem de sensibile pentru măsurarea câmpurilor magnetice, tensiunilor sau curenților, magneți pentru Dispozitive medicale RMN, dispozitive de stocare a energiei magnetice, trenuri cu glonț levitante, motoare, generatoare, transformatoare și linii electrice. Principalele avantaje ale acestor dispozitive supraconductoare de vis vor fi puterea redusă de disipare, funcționarea la viteză mare și sensibilitate extremă.

pentru supraconductori. Există un motiv pentru care centralele electrice sunt adesea construite în apropierea orașelor aglomerate. Chiar și 30 la sută. creat de ei Energie electrica se poate pierde pe liniile de transmisie. Aceasta este o problemă comună la aparatele electrice. Cea mai mare parte a energiei se duce la căldură. Prin urmare, o parte semnificativă a suprafeței computerului este rezervată părților de răcire care ajută la disiparea căldurii generate de circuite.

Supraconductorii rezolvă problema pierderilor de energie pentru căldură. Ca parte a experimentelor, oamenii de știință, de exemplu, reușesc să-și câștige existența curent electric în interiorul inelului supraconductor peste doi ani. Și asta fără energie suplimentară.

Singurul motiv pentru care curentul s-a oprit a fost pentru că nu exista acces la heliu lichid, nu pentru că curentul nu putea continua să curgă. Experimentele noastre ne fac să credem că curenții din materialele supraconductoare pot curge sute de mii de ani, dacă nu mai mult. Curentul electric din supraconductori poate curge pentru totdeauna, transferând energie gratuit.

в nicio rezistență un curent uriaș ar putea circula prin firul supraconductor, care, la rândul său, a generat câmpuri magnetice de o putere incredibilă. Ele pot fi folosite pentru a levita trenuri maglev (4), care pot atinge deja viteze de până la 600 km/h și se bazează pe magneți supraconductori. Sau folosiți-le în centrale electrice, înlocuind metodele tradiționale în care turbinele se rotesc în câmpuri magnetice pentru a genera electricitate. Magneții supraconductori puternici ar putea ajuta la controlul reacției de fuziune. Un fir supraconductor poate acționa ca un dispozitiv ideal de stocare a energiei, mai degrabă decât o baterie, iar potențialul din sistem va fi păstrat timp de o mie și un milion de ani.

În calculatoarele cuantice, puteți curge în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic într-un supraconductor. Motoarele de nave și mașini ar fi de zece ori mai mici decât sunt în prezent, iar aparatele scumpe pentru diagnosticare medicală s-ar încadra în palma mâinii tale. Colectată de la fermele din vastele deșerturi din întreaga lume, energia solară poate fi stocată și transferată fără nicio pierdere.

4. Tren japonez maglev

Potrivit fizicianului și faimosului popularizator al științei, Kakutehnologii precum supraconductorii vor introduce o nouă eră. Dacă încă am trăi în era electricității, supraconductorii la temperatura camerei ar aduce cu ei epoca magnetismului.