Visokotemperaturna supravodljivost

U početku su superprevodnici imali vrlo ograničenu primjenu, jer njihova radna temperatura ne bi trebala prelaziti 20K (-253 ° C). Na primjer, temperatura tekućeg helija na 4,2 K (-268,8 ° C) je vrlo pogodna za djelovanje supravodiča, ali potrebno je puno energije za hlađenje i održavanje tako niske temperature, što je tehnički vrlo problematično.

Visokotemperaturni supervodiči koje su Karl Müller i Georg Bednorets otkrili 1986. godine pokazali su kritičnu temperaturu znatno višu, a temperatura tekućeg dušika na 75K (-198 ° C) za takve vodiče sasvim je dovoljna za rad. Pored toga, dušik je mnogo jeftiniji od helija kao rashladnog sredstva.

Otkriće 1987. "skok vodljivosti u gotovo nulu" na temperaturi od 36 K (-237 ° C) za spojeve lantana, stroncija, bakra i kisika (La - Sr - Cu - O) bio je početak. Tada je najprije otkriveno svojstvo spojeva itrijuma, barija, bakra i kisika (Y - Ba - Cu - O) da pokazuju supravodljiva svojstva pri temperaturi od 77,4 K (-195,6 ° C) iznad točke ključanja tekućeg dušika.

2003. otkriven je keramički spoj Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), koji ima kritičnu temperaturu od 138 K (-135 ° C) i dostiže 166 K (-107 ° C) pri tlaku od 400 kbar; i 2015. godine postavljen je novi rekord za vodikov sulfid (H2S), koji je postao superprovodnik pri tlaku od 100 GPa, na temperaturi koja ne prelazi 203K (-70 ° C).

Superprovodnost kao fizički fenomen, najprije na mikroskopskoj razini, objašnjena je u radu američkih fizičara Johna Bardina, Leona Coopera i Johna Shriffera 1957. godine. Njihova se teorija temeljila na konceptu takozvanih Cooper-ovih elektronskih parova, a sama teorija nazvana je teorijom BCS-a, prema prvim slovima imena njegovih autora, a do danas ta makroskopska teorija superprovodnika dominira.

Prema ovoj teoriji, elektronska stanja Cooper-ovih parova koreliraju sa suprotnim okretima i momenta. Istodobno, teorija je koristila takozvane transformacije Nikolaja Bogolyubova, koji su pokazali da se superprovodljivost može smatrati procesom pretočnosti elektronskog plina.

U blizini Fermijeve površine elektroni se mogu učinkovito privući međusobno komunicirajući preko fonona, a privlače se samo oni elektroni čija se energija razlikuje od energije elektrona na Fermijevoj površini za više od hVd (ovdje je Vd Debyeva frekvencija), a ostali elektroni ne djeluju.

Interakcija elektrona i kombiniranje u Cooper parove. Ovi parovi posjeduju neka svojstva karakteristična za bozone, a bozoni nakon hlađenja mogu preći u jedno kvantno stanje. Stoga se, zahvaljujući ovoj značajki, parovi mogu kretati bez sudaranja bilo s rešetkom, bilo s drugim elektronima, tj. Cooper parovi se kreću bez gubitka energije.

U praksi, visokotemperaturni supervodiči osiguravaju prijenos energije bez gubitaka, što ih čini primjenom i upotrebom u budućnosti korisnim i učinkovitijim. Električni kablovi, transformatori, električni strojevi, induktivno skladištenje energije s neograničenim vijekom trajanja, graničnici struje itd. - visokotemperaturni supervodiči primjenjivi su svuda u elektrotehnici.

Dimenzije će biti smanjene, gubici će se smanjiti, povećati će se učinkovitost proizvodnje, prijenosa i distribucije električne energije u cjelini. transformatori imat će manju težinu i vrlo male gubitke, u usporedbi s transformatorima s konvencionalnim namotima. Superprevodni transformatori bit će ekološki prihvatljivi, neće ih trebati hladiti, a u slučaju preopterećenja, struja će biti ograničena.

Ograničenja struje nadprovodne struje manje su inercijalna. Kada uključite uređaje za spremanje energije i superprevodne generatore u električnim mrežama, njihova stabilnost će se povećati. Opskrba mega-gradova odvijat će se kroz nadprovodne podzemne kablove koji mogu provesti do 5 puta više struje, a polaganjem takvih kabela značajno će se uštedjeti urbana područja jer će kablovi biti kompaktniji u odnosu na danas korištene.

Proračuni pokazuju da će, na primjer, izgradnja dalekovoda snage 1 GW na naponu od 154 kV, ako se koriste superprevodni kablovi, koštati 38% jeftinije nego ako se provodi pomoću standardne tehnologije. A to uzima u obzir dizajn i ugradnju, jer je potreban broj navoja, odnosno, ukupan broj kabela je manji, a unutarnji promjer vodova je također manji.

Važno je napomenuti da se značajna snaga može prenijeti preko suprovodnog kabela čak i pri niskom naponu, smanjujući elektromagnetsko zagađenje, a to vrijedi za gusto naseljena područja, gdje postavljanje visokonaponskih vodova izaziva zabrinutost, kako među ekolozima, tako i u javnosti.

Također je obećavajuće uvođenje visokotemperaturnih supravodiča u područje alternativne energije, gdje isplativost nikako nije sekundarni faktor, a upotreba ovdje supravodiča povećava učinkovitost novih izvora. Štoviše, za sljedećih 20 godina u svijetu postoji stalna tendencija ka njihovom brzom razvoju.