Hög temperatur superledningsförmåga

Ursprungligen hade superledare en mycket begränsad applikation, eftersom deras driftstemperatur inte bör överstiga 20K (-253 ° C). Exempelvis är temperaturen på flytande helium vid 4,2 K (-268,8 ° C) väl lämpad för superledaren att fungera, men det kräver mycket energi att kyla och bibehålla en så låg temperatur, vilket är tekniskt mycket problematiskt.

Högtemperatursupraledare som upptäcktes 1986 av Karl Müller och Georg Bednorets visade en kritisk temperatur mycket högre, och temperaturen på flytande kväve vid 75 K (-198 ° C) för sådana ledare är tillräckligt för drift. Dessutom är kväve mycket billigare än helium som kylmedel.

Upptäckten 1987 av ett "hopp i konduktivitet till nästan noll" vid en temperatur på 36K (-237 ° C) för föreningar av lantan, strontium, koppar och syre (La - Sr - Cu - O) var början. Sedan upptäcktes först egenskapen av yttrium-, barium-, koppar- och syreföreningarna (Y - Ba - Cu - O) för att uppvisa superledande egenskaper vid en temperatur av 77,4 K (-195,6 ° C) över kokpunkten för flytande kväve.

2003 upptäcktes den keramiska föreningen Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), som har en kritisk temperatur av 138 K (-135 ° C) och når 166 K (-107 ° C) vid ett tryck av 400 kbar; och 2015 sattes en ny rekord för vätesulfid (H2S), som blev en superledare vid ett tryck av 100 GPa, vid en temperatur som inte översteg 203K (-70 ° C).

Supraledningsförmåga som ett fysiskt fenomen, först på mikroskopisk nivå, förklarades i arbetet av de amerikanska fysikerna John Bardin, Leon Cooper och John Shriffer 1957. Deras teori var baserad på begreppet de så kallade Cooper-elektronpar, och själva teorin kallades BCS-teorin, enligt de första bokstäverna i namnen på dess författare, och till denna dag är denna makroskopiska teori om superledare dominerande.

Enligt denna teori korrelerar elektronstaterna i Cooper-par med motsatta snurr och moment. Samtidigt använde teorin de så kallade transformationerna av Nikolai Bogolyubov, som visade att supraledningsförmåga kan betraktas som en process för överflödighet av en elektrongas.

Nära Fermi-ytan kan elektroner attraheras effektivt genom att interagera med varandra via fononer, och bara de elektronerna dras till vars energi skiljer sig från elektronenergin på Fermi-ytan med inte mer än hVd (här Vd är Debye-frekvensen), och resten av elektronerna interagerar inte.

Interagera elektroner och kombinera i Cooper-par. Dessa par har några egenskaper som är karakteristiska för bosoner, och bosoner kan gå över till ett enda kvanttillstånd vid kylning. På grund av denna funktion kan således par röra sig utan att kollidera med varken gitteret eller andra elektroner, det vill säga Cooper-par rör sig utan energiförlust.

I praktiken ger högtemperatur-superledare förlustfri kraftöverföring, vilket gör deras introduktion och användning i framtiden användbar och effektiv. Strömkablar, transformatorer, elektriska maskiner, induktiv energilagring med obegränsad hållbarhet, strömbegränsare, etc. - högtemperatursupraledare är tillämpliga överallt inom elektroteknik.

Dimensionerna kommer att minskas, förlusterna kommer att reduceras, effektiviteten i produktion, transmission och distribution av elektrisk energi som helhet kommer att öka. transformers kommer att ha mindre vikt och mycket låga förluster, jämfört med transformatorer med konventionella lindningar. Superledande transformatorer kommer att vara miljövänliga, de behöver inte kylas, och vid överbelastning kommer strömmen att begränsas.

Superledande strömbegränsare är mindre inertiella. Med införandet av energilagring och supraledande generatorer i elektriska nät kommer deras stabilitet att öka. Kraftförsörjning av megaciteter kommer att utföras med hjälp av supraledande underjordiska kablar som kan leda upp till 5 gånger mer ström, och läggningen av sådana kablar kommer avsevärt att spara stadsområden, eftersom kablarna kommer att vara mer kompakta jämfört med de som används idag.

Beräkningar visar att till exempel att bygga en kraftledning för 1 GW vid en spänning på 154 kV, om superledande kablar används, kommer att kosta 38% billigare än om den implementerades med standardteknologi. Och detta tar hänsyn till konstruktionen och installationen, eftersom antalet erforderliga gängor är mindre, det totala antalet kablar är mindre, och ledningens innerdiameter är också mindre.

Det är anmärkningsvärt att en betydande effekt kan överföras via en superledande kabel även vid låg spänning, vilket reducerar elektromagnetisk förorening, och detta gäller för tätbefolkade områden, där läggningen av högspänningsledningar orsakar oro, både bland ekologer och allmänheten.

Införandet av högtemperatursupraledare i fältet med alternativ energi är också lovande, där lönsamheten inte alls är en sekundär faktor, och användningen av superledare här kommer att öka effektiviteten hos nya källor. Dessutom finns det under de kommande 20 åren en stadig tendens till deras snabba utveckling i världen.