Supravadītspējas pielietojums zinātnē un tehnoloģijā

Supravadītspēju sauc par kvantu fenomenu, kas sastāv no tā, ka daži materiāli, kad to temperatūra tiek sasniegta līdz noteiktai kritiskajai vērtībai, sāk uzrādīt nulles elektrisko pretestību.

Mūsdienās zinātnieki jau zina vairākus simtus elementu, sakausējumu un keramikas, kas spēj šādi uzvesties. Diriģents, kas nonācis supravadītāja stāvoklī, sāk parādīt, ko sauc Meisnera efekts, kad magnētiskais lauks no tā tilpuma ir pilnībā pārvietots uz āru, kas, protams, ir pretrunā klasiskajam to efektu aprakstam, kas saistīti ar parasto vadītspēju hipotētiska ideāla apstākļos, tas ir, nulles pretestības apstākļos.

Laika posmā no 1986. līdz 1993. gadam tika atklāti vairāki augstas temperatūras supravadītāji, tas ir, tie, kas nonāk supravadītājā stāvoklī vairs ne tik zemā temperatūrā kā šķidrā hēlija viršanas temperatūra (4,2 K), bet gan pie viršanas temperatūras. šķidrā slāpekļa punkts ( 77 K) — 18 reizes augstāks, ko laboratorijas apstākļos var sasniegt daudz vieglāk un lētāk nekā ar hēliju.

Paaugstināta interese par praktisko pielietojumu supravadītspēja aizsākās pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados, kad pie apvāršņa spilgti parādījās II tipa supravadītāji ar to lielo strāvas blīvumu un magnētisko indukciju. Tad viņi sāka iegūt arvien lielāku praktisku nozīmi.

Elektromagnētiskās indukcijas likums mums saka, ka ap elektrisko strāvu vienmēr ir magnētiskais lauks... Un tā kā supravadītāji vada strāvu bez pretestības, pietiek vienkārši uzturēt šādus materiālus pareizā temperatūrā un tādējādi iegūt detaļas ideālu elektromagnētu radīšanai.

Piemēram, medicīniskajā diagnostikā magnētiskās rezonanses attēlveidošanas tehnoloģija ietver spēcīgu supravadošu elektromagnētu izmantošanu tomogrāfos. Bez tiem ārsti nevarētu iegūt tik iespaidīgus augstas izšķirtspējas attēlus no cilvēka ķermeņa iekšējiem audiem, neizmantojot skalpeli.

Lielu nozīmi ir ieguvuši tādi supravadoši sakausējumi kā niobija-titāna un niobija-alvas intermetāliski, no kuriem tehniski ir viegli iegūt stabilus plānus supravadošus pavedienus un savītas stieples.

Zinātnieki jau sen ir radījuši sašķidrinātājus un ledusskapjus ar lielu dzesēšanas jaudu (šķidrā hēlija temperatūras līmenī), tieši viņi veicināja supravadīšanas tehnoloģiju attīstību PSRS. Jau toreiz, 80. gados, tika uzbūvētas lielas elektromagnētiskās sistēmas.

Tika palaists pasaulē pirmais eksperimentālais objekts T-7, kas paredzēts, lai izpētītu iespēju uzsākt kodolsintēzes reakciju, kur toroidālā magnētiskā lauka izveidošanai nepieciešamas supravadošās spoles.Lielajos daļiņu paātrinātājos supravadošās spoles izmanto arī šķidrā ūdeņraža burbuļu kamerās.

Tiek izstrādāti un radīti turbīnu ģeneratori (pagājušā gadsimta 80. gados uz supravadītāju bāzes tika radīti īpaši jaudīgi turbīnu ģeneratori KGT-20 un KGT-1000), elektromotori, kabeļi, magnētiskie separatori, transporta sistēmas u.c.

Plūsmas mērītāji, līmeņa mērītāji, barometri, termometri — supravadītāji ir lieliski piemēroti visiem šiem precīzijas instrumentiem.Supravadītāju rūpnieciskā pielietojuma galvenās jomas joprojām ir divas: magnētiskās sistēmas un elektriskās mašīnas.

Tā kā supravadītājs neiztur magnētisko plūsmu, tas nozīmē, ka šāda veida produkts aizsargā magnētisko starojumu. Šo supravadītāju īpašību izmanto precīzās mikroviļņu ierīcēs, kā arī aizsardzībai pret tik bīstamu kodolsprādziena kaitīgo faktoru kā spēcīgs elektromagnētiskais starojums.

Rezultātā zemas temperatūras supravadītāji joprojām ir neaizstājami, lai izveidotu magnētus pētniecības iekārtās, piemēram, daļiņu paātrinātājos un kodolsintēzes reaktoros.

Magnētiskās levitācijas vilcieni, kurus mūsdienās aktīvi izmanto Japānā, tagad var pārvietoties ar ātrumu 600 km/h un jau sen ir pierādījuši savu iespējamību un efektivitāti.

Elektriskās pretestības trūkums supravadītājos padara elektroenerģijas pārvades procesu ekonomiskāku. Piemēram, supravadošs plāns kabelis, kas novietots pazemē, principā varētu pārraidīt jaudu, kuras pārsūtīšanai tradicionālā veidā būtu nepieciešams biezs vadu kūlis — apgrūtinoša līnija.

Pašlaik aktuālas ir tikai izmaksas un uzturēšanas jautājumi, kas saistīti ar nepieciešamību nepārtraukti sūknēt slāpekli caur sistēmu. Tomēr 2008. gadā uzņēmums American Superconductor veiksmīgi uzsāka pirmo komerciālo supravadītāju pārvades līniju Ņujorkā.

Turklāt pastāv rūpnieciskā akumulatoru tehnoloģija, kas mūsdienās ļauj uzkrāt un uzglabāt (uzkrāt) enerģiju nepārtrauktas cirkulācijas strāvas veidā.

Apvienojot supravadītājus ar pusvadītājiem, zinātnieki rada īpaši ātrus kvantu datorus, kas iepazīstina pasauli ar jaunas paaudzes skaitļošanas tehnoloģijām.

Supravadošā stāvoklī esošās vielas pārejas temperatūras atkarības parādība no magnētiskā lauka lieluma ir vadāmo rezistoru - kriotronu pamatā.

Šobrīd, protams, var runāt par ievērojamu progresu virzībā uz augstas temperatūras supravadītāju iegūšanu.

Piemēram, metālkeramikas kompozīcija YBa2Cu3Ox nonāk supravadītājā temperatūrā, kas pārsniedz slāpekļa sašķidrināšanas temperatūru!

Tomēr lielākā daļa no šiem risinājumiem ir saistīti ar to, ka iegūtie paraugi ir trausli un nestabili; tāpēc iepriekš minētie niobija sakausējumi joprojām ir aktuāli tehnoloģijā.

Supravadītāji ļauj izveidot fotonu detektorus. Daži no tiem izmanto Andrejeva refleksiju, citi izmanto Džozefsona efektu, kritiskās strāvas klātbūtnes faktu utt.

Ir uzbūvēti detektori, kas fiksē atsevišķus fotonus no infrasarkanā diapazona, kam ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar detektoriem, kuru pamatā ir citi ierakstīšanas principi, piemēram, fotoelektriskie reizinātāji utt.

Atmiņas šūnas var izveidot, pamatojoties uz virpuļiem supravadītājos. Daži magnētiskie solitoni jau tiek izmantoti līdzīgā veidā. Divdimensiju un trīsdimensiju magnētiskie solitoni ir līdzīgi virpuļiem šķidrumā, kur straumlīniju lomu spēlē domēna izlīdzināšanas līnijas.

Kalmāri ir miniatūras gredzenveida supravadītāju ierīces, kas darbojas, pamatojoties uz saistību starp magnētiskās plūsmas izmaiņām un elektrisko spriegumu. Šādas mikroierīces darbojas īpaši jutīgos magnetometros, kas spēj izmērīt Zemes magnētisko lauku, kā arī medicīnas iekārtās skenēto orgānu magnetogrammu iegūšanai.