Magas hőmérsékletű szupravezető képesség

A szupravezetők kezdetben nagyon korlátozott alkalmazásban voltak, mivel működési hőmérsékletük nem haladhatja meg a 20 K (-253 ° C) értéket. Például a folyékony hélium 4,2 K (-268,8 ° C) hőmérséklete megfelelő a szupravezető működéséhez, de sok energiát igényel az ilyen alacsony hőmérséklet lehűtése és fenntartása, ami műszakilag nagyon problematikus.

A Karl Müller és Georg Bednorets által 1986-ban felfedezett magas hőmérsékletű szupravezetők sokkal magasabb kritikus hőmérsékletet mutattak, és a folyékony nitrogén hőmérséklete 75 K (-198 ° C) mellett elegendő az ilyen vezetők működéséhez. Ezen felül a nitrogén sokkal olcsóbb, mint a hélium hűtőközegként.

A lantán, stroncium, réz és oxigén vegyületek (La - Sr - Cu - O) 1987 - ben "vezetőképességének majdnem nullára" történő felfedezése 36K (-237 ° C) hőmérsékleten volt a kezdet. Ezután először fedezték fel az ittrium-, bárium-, réz- és oxigén (Y-Ba-Cu-O) vegyületeknek a szupravezető tulajdonságokkal rendelkező tulajdonságait 77,4 K (-195,6 ° C) hőmérsékleten a folyékony nitrogén forráspontja fölött.

2003-ban felfedezték a Hg-Ba-Ca-Cu-O (F) kerámiavegyületet, amelynek kritikus hőmérséklete 138 K (-135 ° C) és eléri a 166 K (-107 ° C) hőmérsékletet 400 kbar nyomáson; és 2015-ben új rekordot állítottak fel a hidrogén-szulfid (H2S) vonatkozásában, amely 100 GPa nyomáson, 203K (-70 ° C) hőmérsékletet meg nem haladó szupravezetővé vált.

A szupravezetõ képességet mint fizikai jelenséget, elsõként mikroszkopikus szinten, John Bardin, Leon Cooper és John Shriffer amerikai fizikusok 1957-ben magyarázták. Elméletük az úgynevezett Cooper elektronpárok fogalmán alapult, és maga az elmélet a szerzők neveinek első betűi szerint BCS elmélet volt, és a mai napig a szupravezetők makroszkopikus elmélete domináns.

Ezen elmélet szerint a Cooper-párok elektronállapota korrelál az ellenkező spinnel és a momentummal. Ugyanakkor az elmélet Nikolai Bogolyubov úgynevezett transzformációit alkalmazta, akik megmutatták, hogy a szupravezetõképesség az elektrongáz túláramlásának folyamatának tekinthetõ.

A Fermi felszíne közelében az elektronok hatékonyan vonzhatók egymással fononokon keresztüli kölcsönhatás útján, és csak azokat az elektronokat vonzhatjuk, amelyeknek energiája legfeljebb hVd-vel (a Vd a Debye-frekvencia) tér el a Fermi felületén levő elektronenergiától, és a többi elektron nem kölcsönhatásba lép.

Interaktív elektronok és kombináljuk őket Cooper-párokba. Ezeknek a pároknak vannak a boszonokra jellemző tulajdonságok, és a boszok hűtéskor egyetlen kvantumos állapotba kerülhetnek. Így ennek a tulajdonságnak köszönhetően a párok mozoghatnak anélkül, hogy ütköznének a ráccsal vagy más elektronokkal, vagyis a Cooper párok energiaveszteség nélkül mozognának.

A gyakorlatban a magas hőmérsékletű szupravezetők veszteségmentes energiaátvitelt biztosítanak, ami bevezetését és használatát a jövőben hasznos és hatékony felhasználássá teszi. Tápkábelek, transzformátorok, elektromos gépek, korlátlan élettartamú induktív energiatároló, áramkorlátozó stb. - a magas hőmérsékletű szupravezetők mindenütt alkalmazhatók az elektrotechnikában.

A méretek csökkennek, az veszteségek csökkennek, az elektromos energia termelésének, átvitelének és elosztásának hatékonysága növekszik. transzformerek kevesebb súlya és nagyon kis veszteségei lesznek, összehasonlítva a hagyományos tekercselésű transzformátorokkal. A szupravezető transzformátorok környezetbarátak lesznek, azokat nem kell lehűteni, és túlterhelés esetén az áram korlátozott.

A szupravezető áramkorlátozó kevésbé tehetetlen. Az energiatároló készülékek és a szupravezető generátorok bekapcsolásakor az elektromos hálózatokban növekszik azok stabilitása. A nagyvárosok energiaellátását olyan szupravezető földalatti kábelek segítségével hajtják végre, amelyek akár ötször nagyobb áramot tudnak vezetni, és az ilyen kábelek fektetése jelentősen megtakarítja a városi területeket, mivel a kábelek sokkal kompaktabbak lesznek, mint manapság.

A számítások azt mutatják, hogy például 1 GW-os távvezeték építése 154 kV feszültségnél, ha szupravezető kábeleket használnak, 38% -kal olcsóbb lesz, mint ha standard technológiával valósítanák meg. És ez figyelembe veszi a tervezést és a telepítést, mivel kevesebb szál szükséges, ill. A kábelek száma kevesebb, és a vezetékek belső átmérője is kisebb.

Figyelemre méltó, hogy egy szupravezető kábellel jelentős energiát lehet továbbítani még alacsony feszültségnél is, ezáltal csökkentve elektromágneses szennyezés, és ez igaz a sűrűn lakott területeken is, ahol a nagyfeszültségű vezetékek fektetése aggodalomra ad okot, mind az ökológusok, mind a lakosság körében.

Szintén ígéretes a magas hőmérsékletű szupravezetők bevezetése az alternatív energia területén, ahol a jövedelmezőség egyáltalán nem másodlagos tényező, és a szupravezetők használata itt növeli az új források hatékonyságát. Sőt, a következő 20 évben folyamatos tendencia figyelhető meg gyors fejlődésük felé a világon.