Superconductivitate la temperaturi ridicate

Inițial, superconductorii au avut o aplicație foarte limitată, deoarece temperatura lor de funcționare nu trebuie să depășească 20K (-253 ° C). De exemplu, temperatura heliului lichid la 4,2 K (-268,8 ° C) este potrivită pentru ca superconductorul să funcționeze, dar este nevoie de multă energie pentru a se răci și a menține o temperatură atât de scăzută, care este foarte problematică din punct de vedere tehnic.

Superconductorii cu temperaturi ridicate descoperite în 1986 de Karl Müller și Georg Bednorets au arătat o temperatură critică mult mai ridicată, iar temperatura azotului lichid la 75K (-198 ° C) pentru astfel de conductoare este destul de mare pentru funcționare. În plus, azotul este mult mai ieftin decât heliul ca agent frigorific.

Descoperirea în 1987 a unui „salt în conductivitate la aproape zero” la o temperatură de 36 K (-237 ° C) pentru compuși de lantan, stronțiu, cupru și oxigen (La - Sr - Cu - O) a fost începutul. Apoi, a fost descoperită pentru prima dată proprietatea compușilor de ytriu, bariu, cupru și oxigen (Y - Ba - Cu - O) de a prezenta proprietăți supraconductoare la o temperatură de 77,4 K (-195,6 ° C) peste punctul de fierbere al azotului lichid.

În 2003, a fost descoperit compusul ceramic Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), care are o temperatură critică de 138 K (-135 ° C) și ajunge la 166 K (-107 ° C) la o presiune de 400 mari; iar în 2015, a fost stabilit un nou record pentru hidrogen sulfurat (H2S), care a devenit un superconductor la o presiune de 100 GPa, la o temperatură care nu depășește 203K (-70 ° C).

Superconductivitatea ca fenomen fizic, mai întâi la nivel microscopic, a fost explicată în activitatea fizicienilor americani John Bardin, Leon Cooper și John Shriffer în 1957. Teoria lor s-a bazat pe conceptul așa-numitelor perechi de electroni Cooper, iar teoria în sine a fost numită teoria BCS, conform primelor litere ale numelor autorilor săi, iar până în prezent această teorie macroscopică a superconductorilor este dominantă.

Conform acestei teorii, stările electronice ale perechilor Cooper se corelează cu rotiri și momente opuse. În același timp, teoria a folosit așa-numitele transformări ale lui Nikolai Bogolyubov, care a arătat că superconductivitatea poate fi considerată ca un proces de superfluiditate a unui gaz de electroni.

În apropierea suprafeței Fermi, electronii pot fi atrași eficient interacționând unii cu alții prin intermediul fononilor și sunt atrași numai acei electroni a căror energie diferă de energia electronilor de pe suprafața Fermi cu cel mult hVd (aici Vd este frecvența Debye), iar restul electronilor nu interacționează.

Interacți electroni și combinați în perechi Cooper. Aceste perechi posedă unele proprietăți caracteristice bosonilor, iar bosonii pot trece într-o singură stare cuantică la răcire. Astfel, datorită acestei caracteristici, perechile se pot mișca fără a se cioca nici cu zăbrele, fie cu alți electroni, adică perechile Cooper se mișcă fără pierderi de energie.

În practică, superconductorii la temperaturi ridicate asigură o transmisie de energie fără pierderi, ceea ce face ca introducerea și utilizarea lor în viitor să fie utile și eficiente. Cabluri de alimentare, transformatoare, mașini electrice, stocare de energie inductivă cu o durată de valabilitate nelimitată, limitatori de curent, etc.

Dimensiunile vor fi reduse, pierderile vor fi reduse, eficiența producției, transmisiei și distribuției energiei electrice în ansamblu va crește. transformatoare va avea o greutate mai mică și pierderi foarte mici, în comparație cu transformatoarele cu înfășurări convenționale. Transformatoarele supraconductoare vor fi ecologice, nu trebuie să fie răcite, iar în caz de suprasarcină, curentul va fi limitat.

Limitatorii de curent supraconductor sunt mai puțin inerțiali. Odată cu includerea generatoarelor de stocare a energiei și a supraconductoarelor în rețelele electrice, stabilitatea acestora va crește. Alimentarea cu megacități se va realiza cu ajutorul unor cabluri subterane care pot conduce de până la 5 ori mai mult curent, iar așezarea unor astfel de cabluri va economisi semnificativ zonele urbane, deoarece cablurile vor fi mai compacte în comparație cu cele folosite astăzi.

Calculele arată că, de exemplu, construirea unei linii electrice pentru 1 GW la o tensiune de 154 kV, dacă sunt utilizate cabluri supraconductoare, va costa cu 38% mai ieftin decât dacă ar fi fost implementată folosind tehnologia standard. Și acest lucru ține cont de proiectare și instalare, deoarece numărul de fire necesare este mai mic, respectiv, numărul total de cabluri este mai mic, iar diametrul interior al conductelor este, de asemenea, mai mic.

Este de remarcat faptul că o putere semnificativă poate fi transmisă printr-un cablu supraconductor chiar și la tensiune redusă, reducând poluare electromagneticăAcest lucru este valabil și pentru zonele dens populate, unde așezarea liniilor de înaltă tensiune provoacă îngrijorare, atât în ​​rândul ecologiștilor, cât și al publicului.

Introducerea superconductorilor la temperaturi ridicate în domeniul energiei alternative este de asemenea promițătoare, unde rentabilitatea nu este în niciun caz un factor secundar, iar utilizarea superconductorilor aici va crește eficiența noilor surse. Mai mult, în următorii 20 de ani, există o tendință constantă către dezvoltarea rapidă a acestora în lume.