Superkonduktiviti suhu tinggi

Pada mulanya, superkonduktor mempunyai aplikasi yang sangat terhad, kerana suhu operasi mereka tidak boleh melebihi 20K (-253 ° C). Contohnya, suhu helium cecair pada 4.2 K (-268.8 ° C) sangat sesuai untuk kerja superkonduktor, tetapi ia memerlukan banyak tenaga untuk menyejukkan dan mengekalkan suhu yang rendah, yang secara teknikalnya sangat bermasalah.

Superkonduktor suhu tinggi yang ditemui pada tahun 1986 oleh Karl Müller dan Georg Bednorets menunjukkan suhu kritikal lebih tinggi, dan suhu nitrogen cecair pada 75K (-198 ° C) untuk konduktor tersebut cukup untuk operasi. Di samping itu, nitrogen jauh lebih murah daripada helium sebagai penyejuk.

Penemuan pada tahun 1987 tentang "melompat dalam kekonduksian kepada hampir sifar" pada suhu 36K (-237 ° C) untuk sebatian lanthanum, strontium, tembaga dan oksigen (La - Sr - Cu - O) adalah permulaan. Kemudian, sifat senyawa yttrium, barium, tembaga, dan oksigen (Y - Ba - Cu - O) untuk mempamerkan sifat superconducting pada suhu 77.4 K (-195.6 ° C) di atas titik didih nitrogen cecair mula ditemui.

Pada tahun 2003, sebatian seramik Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) ditemui, yang mempunyai suhu kritikal 138 K (-135 ° C) dan mencapai 166 K (-107 ° C) pada tekanan 400 kbar; dan pada 2015, rekod baru ditetapkan untuk hidrogen sulfida (H2S), yang menjadi superkonduktor pada tekanan 100 GPa, pada suhu tidak melebihi 203K (-70 ° C).

Superconductivity sebagai fenomena fizikal, pertama di peringkat mikroskopik, dijelaskan dalam karya fizik Amerika John Bardin, Leon Cooper dan John Shriffer pada tahun 1957. Teori mereka didasarkan pada konsep kononnya pasangan elektron Cooper, dan teori itu sendiri dipanggil teori BCS, menurut huruf pertama nama-nama pengarangnya, dan hingga hari ini teori makroskopik superkonduktor ini dominan.

Menurut teori ini, keadaan elektron pasangan Cooper berkorelasi dengan berputar lawan dan momenta. Pada masa yang sama, teori itu menggunakan transformasi yang dipanggil Nikolai Bogolyubov, yang menunjukkan bahawa superkonduktiviti boleh dipertimbangkan sebagai proses superfluidensi gas elektron.

Berhampiran permukaan Fermi, elektron boleh secara berkesan tertarik dengan berinteraksi antara satu sama lain melalui fonon, dan hanya elektron-elektron ini yang tertarik yang tenaganya berbeza dari tenaga elektron di permukaan Fermi dengan tidak lebih daripada hVd (di sini Vd adalah kekerapan Debye), dan selebihnya elektron tidak berinteraksi.

Berinteraksi dengan elektron dan bergabung ke pasangan Cooper. Pasangan ini mempunyai ciri-ciri sifat boson, dan boson boleh pergi ke satu keadaan kuantum apabila pendinginan. Oleh itu, disebabkan ciri ini, pasangan boleh bergerak tanpa bertabrakan dengan kisi atau elektron lain, iaitu pasangan Cooper bergerak tanpa kehilangan tenaga.

Dalam praktiknya, superkonduktor suhu tinggi memberikan penghantaran kuasa tanpa kehilangan, yang menjadikan pengenalan dan penggunaannya berguna dan efisien pada masa akan datang. Kabel kuasa, transformer, mesin elektrik, penyimpanan tenaga induktif dengan jangka hayat yang tidak terhad, pembatas semasa, dan lain-lain - superkonduktor suhu tinggi boleh digunakan di mana-mana dalam kejuruteraan elektrik.

Dimensi akan dikurangkan, kerugian akan dikurangkan, kecekapan pengeluaran, penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik secara keseluruhan akan meningkat. Transformers akan mempunyai berat badan yang kurang dan kerugian yang sangat rendah, berbanding dengan transformer dengan lilitan konvensional. Transformers superconducting akan menjadi mesra alam, mereka tidak perlu disejukkan, dan jika berlaku beban, arus akan terhad.

Superconducting pembatas semasa kurang inersia. Apabila anda menghidupkan peranti storan tenaga dan penjana superconducting dalam rangkaian elektrik, kestabilan mereka akan meningkat. Pembekalan kuasa megacities akan dilaksanakan melalui kabel superkonduktor bawah tanah yang boleh menjalankan sehingga 5 kali lebih banyak semasa, dan pemasangan kabel tersebut akan menjimatkan kawasan bandar dengan ketara, kerana kabel akan lebih padat berbanding dengan yang digunakan pada hari ini.

Pengiraan menunjukkan bahawa, contohnya, membina satu garisan kuasa untuk 1 GW pada voltan 154 kV, jika kabel superconducting digunakan, akan kos 38% lebih murah daripada jika ia dilaksanakan menggunakan teknologi standard. Dan ini mengambil kira reka bentuk dan pemasangan, kerana bilangan benang yang diperlukan kurang, masing-masing, jumlah bilangan kabel kurang, dan diameter dalaman saluran juga kurang.

Perlu diperhatikan bahawa kuasa yang besar boleh ditransmisikan melalui kabel superconducting walaupun pada voltan rendah, mengurangkan pencemaran elektromagnetik, dan ini berlaku untuk kawasan padat penduduk, di mana meletakkan jalur voltan tinggi menyebabkan kebimbangan, baik di kalangan ahli ekologi dan orang awam.

Pengenalan superkonduktor suhu tinggi ke dalam bidang tenaga alternatif juga menjanjikan, di mana keuntungan tidak semestinya faktor sekunder, dan penggunaan superkonduktor di sini akan meningkatkan kecekapan sumber-sumber baru. Lebih-lebih lagi, untuk 20 tahun akan datang, terdapat kecenderungan mantap terhadap perkembangan pesat mereka di dunia.