Ứng dụng của siêu dẫn trong khoa học và công nghệ

Hiện tượng siêu dẫn được gọi là hiện tượng lượng tử, bao gồm thực tế là một số vật liệu, khi nhiệt độ của chúng được đưa đến một giá trị tới hạn nhất định, bắt đầu thể hiện điện trở bằng không.

Ngày nay, các nhà khoa học đã biết hàng trăm nguyên tố, hợp kim và gốm có khả năng hoạt động theo cách này. Một vật dẫn đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn thì bắt đầu xuất hiện hiện tượng gọi là hiệu ứng Meissner, khi từ trường từ thể tích của nó bị dịch chuyển hoàn toàn ra bên ngoài, tất nhiên, điều này mâu thuẫn với mô tả cổ điển về các hiệu ứng liên quan đến sự dẫn điện thông thường trong các điều kiện của lý tưởng giả định, nghĩa là điện trở bằng không.

Trong giai đoạn từ 1986 đến 1993, một số chất siêu dẫn nhiệt độ cao đã được phát hiện, tức là những chất chuyển sang trạng thái siêu dẫn không còn ở nhiệt độ thấp như nhiệt độ sôi của helium lỏng (4,2 K), mà ở nhiệt độ sôi. điểm nitơ lỏng ( 77 K) — cao hơn 18 lần, điều này có thể đạt được trong điều kiện phòng thí nghiệm dễ dàng và rẻ hơn nhiều so với helium.

Tăng hứng thú trong ứng dụng thực tế hiện tượng siêu dẫn bắt đầu vào những năm 1950 khi các chất siêu dẫn loại II, với mật độ dòng điện và cảm ứng từ cao, xuất hiện rực rỡ trên đường chân trời. Sau đó, họ bắt đầu có được tầm quan trọng thực tế hơn.

Định luật cảm ứng điện từ cho ta biết xung quanh dòng điện luôn có từ trường... Và vì các chất siêu dẫn dẫn dòng điện mà không có điện trở nên chỉ cần duy trì các vật liệu đó ở nhiệt độ thích hợp là đủ và do đó có được các bộ phận để tạo ra nam châm điện lý tưởng.

Ví dụ, trong chẩn đoán y tế, công nghệ chụp cộng hưởng từ liên quan đến việc sử dụng nam châm điện siêu dẫn mạnh trong chụp cắt lớp. Nếu không có chúng, các bác sĩ sẽ không thể có được những hình ảnh có độ phân giải cao ấn tượng như vậy về các mô bên trong cơ thể con người mà không cần dùng đến dao mổ.

Các hợp kim siêu dẫn như niobi-titanium và niobi-thiếc intermetallics đã đạt được tầm quan trọng lớn, từ đó về mặt kỹ thuật dễ dàng thu được các sợi siêu dẫn mỏng ổn định và dây bện.

Từ lâu, các nhà khoa học đã tạo ra máy hóa lỏng và tủ lạnh có khả năng làm mát cao (ở mức nhiệt độ của heli lỏng), chính họ đã góp phần phát triển công nghệ siêu dẫn ở Liên Xô. Thậm chí sau đó, vào những năm 1980, các hệ thống điện từ lớn đã được xây dựng.

Cơ sở thử nghiệm đầu tiên trên thế giới, T-7, đã được đưa vào hoạt động, được thiết kế để nghiên cứu khả năng bắt đầu phản ứng nhiệt hạch, nơi cần có các cuộn dây siêu dẫn để tạo ra từ trường hình xuyến.Trong các máy gia tốc hạt lớn, các cuộn dây siêu dẫn cũng được sử dụng trong buồng bong bóng hydro lỏng.

Máy phát tua-bin được phát triển và tạo ra (vào những năm 80 của thế kỷ trước, máy phát tua-bin cực mạnh KGT-20 và KGT-1000 đã được tạo ra trên cơ sở chất siêu dẫn), động cơ điện, dây cáp, bộ tách từ, hệ thống vận chuyển, v.v.

Đồng hồ đo lưu lượng, đồng hồ đo mức, khí áp kế, nhiệt kế — chất siêu dẫn rất phù hợp cho tất cả các dụng cụ chính xác này.

Vì chất siêu dẫn không cho từ thông đi qua, điều này có nghĩa là một sản phẩm thuộc loại này che chắn bức xạ từ. Tính chất này của chất siêu dẫn được sử dụng trong các thiết bị vi sóng chính xác, cũng như để bảo vệ chống lại yếu tố gây hại nguy hiểm của vụ nổ hạt nhân như bức xạ điện từ mạnh.

Do đó, các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp vẫn không thể thiếu để tạo ra nam châm trong các thiết bị nghiên cứu như máy gia tốc hạt và lò phản ứng nhiệt hạch.

Tàu bay từ trường, được sử dụng tích cực ngày nay ở Nhật Bản, hiện có thể di chuyển với tốc độ 600 km / h và từ lâu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của chúng.

Việc không có điện trở trong chất siêu dẫn làm cho quá trình truyền năng lượng điện kinh tế hơn. Ví dụ, một dây cáp mỏng siêu dẫn được đặt dưới lòng đất về nguyên tắc có thể truyền tải năng lượng đòi hỏi một bó dây dày—một đường dây rườm rà—để truyền tải theo cách truyền thống.

Hiện tại, chỉ có các vấn đề về chi phí và bảo trì liên quan đến nhu cầu bơm nitơ liên tục qua hệ thống vẫn còn liên quan. Tuy nhiên, vào năm 2008, American Superconductor đã khai trương thành công đường dây truyền tải siêu dẫn thương mại đầu tiên ở New York.

Ngoài ra, còn có công nghệ pin công nghiệp ngày nay cho phép tích lũy và lưu trữ (tích lũy) năng lượng dưới dạng dòng điện tuần hoàn liên tục.

Bằng cách kết hợp các chất siêu dẫn với chất bán dẫn, các nhà khoa học đang tạo ra các máy tính lượng tử cực nhanh đang giới thiệu cho thế giới một thế hệ công nghệ điện toán mới.

Hiện tượng phụ thuộc của nhiệt độ chuyển tiếp của một chất ở trạng thái siêu dẫn vào độ lớn của từ trường là cơ sở của các điện trở được điều khiển - cryotron.

Tất nhiên, hiện tại, chúng ta có thể nói về tiến bộ đáng kể về tiến độ thu được chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

Ví dụ, thành phần kim loại-gốm YBa2Cu3Ox chuyển sang trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hóa lỏng của nitơ!

Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp này là do các mẫu thu được rất dễ vỡ và không ổn định; do đó, các hợp kim niobi nói trên vẫn còn phù hợp trong công nghệ.

Chất siêu dẫn giúp tạo ra máy dò photon. Một số trong số họ sử dụng phản xạ Andreev, những người khác sử dụng hiệu ứng Josephson, thực tế là có dòng điện tới hạn, v.v.

Máy dò đã được chế tạo để ghi lại các photon đơn lẻ từ phạm vi hồng ngoại, cho thấy một số ưu điểm so với máy dò dựa trên các nguyên tắc ghi khác, chẳng hạn như hệ số nhân quang điện, v.v.

Các ô nhớ có thể được tạo ra dựa trên các xoáy trong chất siêu dẫn. Một số soliton từ đã được sử dụng theo cách tương tự. Các soliton từ tính hai chiều và ba chiều tương tự như các xoáy trong chất lỏng, trong đó vai trò của các dòng được thực hiện bởi các đường thẳng hàng miền.

Mực là thiết bị siêu dẫn dựa trên vòng thu nhỏ hoạt động dựa trên mối quan hệ giữa sự thay đổi của từ thông và điện áp. Những thiết bị siêu nhỏ như vậy hoạt động trong các từ kế có độ nhạy cao có khả năng đo từ trường của Trái đất, cũng như trong các thiết bị y tế để thu được từ tính của các cơ quan được quét.