Høytemperatur superledelse

Opprinnelig hadde superledere en veldig begrenset anvendelse, siden driftstemperaturen deres ikke skulle overstige 20K (-253 ° C). For eksempel er temperaturen på flytende helium ved 4,2 K (-268,8 ° C) godt egnet for superlederen å fungere, men det tar mye energi å avkjøle og opprettholde en så lav temperatur, som teknisk sett er veldig problematisk.

Høytemperatur-superledere som ble oppdaget i 1986 av Karl Müller og Georg Bednorets, viste en kritisk temperatur som var mye høyere, og temperaturen på flytende nitrogen ved 75 K (-198 ° C) for slike ledere er ganske nok for drift. I tillegg er nitrogen mye billigere enn helium som kjølemiddel.

Oppdagelsen i 1987 av et "hopp i ledningsevne til nesten null" ved en temperatur på 36K (-237 ° C) for forbindelser av lantan, strontium, kobber og oksygen (La - Sr - Cu - O) var begynnelsen. Deretter ble egenskapen til yttrium, barium, kobber og oksygen (Y - Ba - Cu - O) forbindelser for å oppvise superledende egenskaper ved en temperatur på 77,4 K (-195,6 ° C) over kokepunktet for flytende nitrogen først oppdaget.

I 2003 ble den keramiske forbindelsen Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) oppdaget, som har en kritisk temperatur på 138 K (-135 ° C) og når 166 K (-107 ° C) ved et trykk på 400 kbar; og i 2015 ble det satt en ny rekord for hydrogensulfid (H2S), som ble en superleder ved et trykk på 100 GPa, ved en temperatur som ikke oversteg 203K (-70 ° C).

Superledelse som et fysisk fenomen, først på mikroskopisk nivå, ble forklart i arbeidet til de amerikanske fysikerne John Bardin, Leon Cooper og John Shriffer i 1957. Teorien deres var basert på konseptet med de såkalte Cooper-elektronparene, og selve teorien ble kalt BCS-teorien, i henhold til de første bokstavene i navnene til forfatterne, og i dag er denne makroskopiske teorien om superledere dominerende.

I følge denne teorien korrelerer elektronstatene til Cooper-par med motsatte spinn og momenta. Samtidig brukte teorien de såkalte transformasjonene av Nikolai Bogolyubov, som viste at superledningsevne kan betraktes som en prosess med overflødighet av en elektrongass.

I nærheten av Fermi-overflaten kan elektronene tiltrekkes effektivt ved å samhandle med hverandre via fononer, og bare de elektronene tiltrekkes hvis energi skiller seg fra elektronenergien på Fermi-overflaten ikke mer enn hVd (her Vd er Debye-frekvensen), og resten av elektronene ikke samvirker.

Samhandler elektroner og kombineres til Cooper-par. Disse parene har noen egenskaper som er karakteristiske for bosoner, og bosoner kan gå over i en enkelt kvantetilstand etter avkjøling. På grunn av denne funksjonen kan par bevege seg uten å kollidere med verken gitteret eller andre elektroner, det vil si at Cooper-par beveger seg uten energitap.

I praksis gir høgtemperatur superledere tapsfri kraftoverføring, noe som gjør introduksjon og bruk i fremtiden nyttig og effektiv. Strømkabler, transformatorer, elektriske maskiner, induktiv energilagring med ubegrenset holdbarhet, strømbegrensere, etc. - høgtemperatur-superledere kan brukes overalt i elektroteknikk.

Dimensjoner vil bli redusert, tap vil bli redusert, effektiviteten i produksjon, overføring og distribusjon av elektrisk energi som helhet vil øke. transformers vil ha mindre vekt og veldig lave tap, sammenlignet med transformatorer med konvensjonelle viklinger. Superledende transformatorer vil være miljøvennlige, de trenger ikke å bli avkjølt, og i tilfelle overbelastning vil strømmen være begrenset.

Superledende strømbegrensere er mindre treghet. Med inkludering av energilagring og superledende generatorer i elektriske nettverk, vil stabiliteten deres øke. Kraftforsyning med megasiteter vil bli utført gjennom superledende underjordiske kabler som kan lede opptil 5 ganger mer strøm, og legging av slike kabler vil spare byområder betydelig, siden kablene vil være mer kompakte sammenlignet med de som brukes i dag.

Beregninger viser at for eksempel å bygge en kraftledning for 1 GW ved en spenning på 154 kV, hvis superledende kabler blir brukt, vil koste 38% billigere enn hvis den ble implementert ved bruk av standardteknologi. Og dette tar hensyn til design og installasjon, fordi antallet tråder som kreves er henholdsvis mindre, totalt antall kabler er mindre, og ledningens indre diameter er også mindre.

Det er bemerkelsesverdig at en betydelig kraft kan overføres gjennom en superledende kabel selv ved lav spenning, noe som reduserer elektromagnetisk forurensning, og dette gjelder for tettbygde strøk, der legging av høyspenningslinjer skaper bekymring, både blant økologer og publikum.

Innføringen av høytempererte superledere i feltet for alternativ energi er også lovende, der lønnsomheten på ingen måte er en sekundær faktor, og bruk av superledere her vil øke effektiviteten til nye kilder. I de neste 20 årene er det dessuten en jevn tendens til rask utvikling i verden.