Τι είναι το υπεραγώγιμο υλικό

Όταν η θερμοκρασία πέφτει σε μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία, η αντίσταση ορισμένων υλικών εξαφανίζεται εντελώς. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται υπεραγωγιμότητα και τα υλικά με αυτό το φαινόμενο ονομάζονται υπεραγώγιμο υλικά. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των υπεραγωγών είναι ότι όταν η αντίσταση εξαφανίζεται, οι γραμμές μαγνητικής επαγωγής δεν θα περάσουν από τον υπεραγωγό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διαμαγνητισμός.

Η αντίσταση των γενικών μετάλλων (όπως ο χαλκός) μειώνεται σταδιακά με τη μείωση της θερμοκρασίας. Όταν η θερμοκρασία είναι κοντά στο 0K, η αντοχή της φτάνει σε μια ορισμένη τιμή. Το 1919, ο Ολλανδός επιστήμονας Onnes χρησιμοποίησε υγρό ήλιο για να δροσίσει τον υδράργυρο. Όταν η θερμοκρασία έπεσε στους 4,2K (δηλαδή στους -269°C), διαπίστωσε ότι η αντίσταση του υδραργύρου εξαφανίστηκε εντελώς.

Η υπεραγωγιμότητα και ο διαμαγνητισμός είναι δύο σημαντικά χαρακτηριστικά των υπεραγωγών. Η θερμοκρασία στην οποία η αντίσταση του υπεραγωγού είναι μηδέν ονομάζεται κρίσιμη θερμοκρασία (TC). Το πρόβλημα στην έρευνα των υπεραγώγιμο υλικά είναι να σπάσει μέσα από το "φράγμα θερμοκρασίας", δηλαδή να βρει υψηλής θερμοκρασίας υπεραγώγιμο υλικά.

Πρακτικά υπεραγώγιμα υλικά που αντιπροσωπεύονται από NbTi και Nb3Sn έχουν εμπορευματοποιηθεί, και έχουν εφαρμοστεί σε πολλούς τομείς όπως η πυρηνική μαγνητική απεικόνιση συντονισμού ανθρώπινης απεικόνισης (NMRI), οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες και οι μεγάλοι μαγνήτες επιταχυντών Το SQUID έχει χρησιμοποιηθεί ως μοντέλο εφαρμογών αδύναμου ρεύματος υπεραγωγών. Διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη μέτρηση αδύναμων ηλεκτρομαγνητικών σημάτων και η ευαισθησία του είναι ανέφικτη από οποιαδήποτε άλλη μη υπεραγώγιμη συσκευή. Ωστόσο, επειδή η κρίσιμη θερμοκρασία των συμβατικών υπεραγωγών χαμηλής θερμοκρασίας είναι πολύ χαμηλή, πρέπει να χρησιμοποιούνται σε ακριβά και περίπλοκα συστήματα υγρού ηλίου (4,2K), γεγονός που περιορίζει σημαντικά την ανάπτυξη εφαρμογών υπεραγώγησης χαμηλής θερμοκρασίας.

Η εμφάνιση υπεραγωγών οξειδίου υψηλής θερμοκρασίας έχει σπάσει το φράγμα θερμοκρασίας και έχει αυξήσει τη θερμοκρασία εφαρμογής της υπεραγωγιμότητας από υγρό ήλιο (4,2K) σε υγρό άζωτο (77K). Σε σύγκριση με το υγρό ήλιο, το υγρό άζωτο είναι ένα πολύ οικονομικό ψυκτικό μέσο και έχει υψηλότερη θερμική ικανότητα, γεγονός που φέρνει μεγάλη ευκολία στις εφαρμογές μηχανικής. Επιπλέον, οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας έχουν πολύ υψηλές μαγνητικές ιδιότητες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ισχυρών μαγνητικών πεδίων άνω των 20T.

Οι πιο ελκυστικές εφαρμογές των υπεραγώγητων υλικών είναι η παραγωγή ενέργειας, η μετάδοση ενέργειας και η αποθήκευση ενέργειας. Η χρήση υπεραγώγιμων υλικών για την κατασκευή του μαγνήτη πηνίου μιας υπεραγώγιμος γεννήτριας μπορεί να αυξήσει τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου της γεννήτριας σε 50.000 έως 60.000 Gauss και δεν υπάρχει σχεδόν καμία απώλεια ενέργειας. Σε σύγκριση με τις συμβατικές γεννήτριες, η ενιαία ικανότητα των υπεραγώγιμων γεννητριών αυξάνεται κατά 5 ~10 φορές, η αποδοτικότητα παραγωγής δύναμης αυξάνεται κατά 50%. Οι υπεραγώγιμοι γραμμές μεταφοράς και οι υπεραγώγιμοι μετασχηματιστές μπορούν να μεταδώσουν ενέργεια στους χρήστες σχεδόν χωρίς απώλεια. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία, περίπου το 15% της απώλειας ισχύος στη μετάδοση χαλκού ή καλωδίων αλουμινίου βρίσκεται στη γραμμή μετάδοσης. Στην Κίνα, η ετήσια απώλεια ενέργειας είναι πάνω από 100 δισεκατομμύρια βαθμοί. Εάν αλλάξει σε υπεραγώγιμο κιβώτιο ταχυτήτων, η ενέργεια που εξοικονομείται ισοδυναμεί με τις νέες δεκάδες μονάδες παραγωγής ενέργειας μεγάλης κλίμακας. η αρχή εργασίας των υπεραγώγιμοι αμαξοστοιχίες maglev είναι η χρήση των διαμαγνητικών ιδιοτήτων των υπεραγώγματων υλικών για τη μείωση των υπεραγώγιμων υλικών. Το αγώγιμο υλικό τοποθετείται πάνω από το μόνιμο μαγνήτη (ή μαγνητικό πεδίο). Λόγω του διαμαγνητισμού του υπεραγωγού, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου του μαγνήτη δεν μπορούν να περάσουν μέσα από τον υπεραγωγό. Η απωθητική δύναμη θα δημιουργηθεί μεταξύ του μαγνήτη (ή του μαγνητικού πεδίου) και του υπεραγωγού, προκαλώντας τον υπεραγωγό να αιωρείται από πάνω του. Αυτό το είδος μαγνητικής επίδρασης αιώρησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κάνει υψηλής ταχύτητας υπεραγώγιμα μαγνητικά τρένα αιώρησης, όπως τα τρένα υψηλής ταχύτητας στο Διεθνές Αεροδρόμιο Shanghai Pudong. Για τους υπεραγώγιμους υπολογιστές, οι υπολογιστές υψηλής ταχύτητας απαιτούν πυκνή διάταξη εξαρτημάτων και συνδέοντας γραμμές σε ενσωματωμένα τσιπ κυκλώματος, αλλά πυκνά διατεταγμένα κυκλώματα Μια μεγάλη ποσότητα θερμότητας παράγεται κατά τη λειτουργία. Εάν ένα υπεραγώγιμο υλικό με αντίσταση κοντά στο μηδέν χρησιμοποιείται για να κάνει ένα καλώδιο σύνδεσης ή μια συσκευή υπεραγώγησης με θέρμανση εξαιρετικά μικροϋπολογιστών, δεν θα υπάρξει πρόβλημα διάχυσης θερμότητας και η ταχύτητα του υπολογιστή μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά.