Mikä on suprajohtavaa materiaalia

Kun lämpötila laskee tiettyyn kriittiseen lämpötilaan, joidenkin materiaalien kestävyys häviää kokonaan. Tätä ilmiötä kutsutaan suprajohtavuudeksi ja tämän ilmiön omaavia materiaaleja suprajohtaviksi materiaaleiksi. Toinen suprajohteiden ominaisuus on, että kun vastus häviää, magneettiset induktiolinjat eivät kulje suprajohtimen läpi. Tätä ilmiötä kutsutaan diamagnetismiksi.

Yleisten metallien (kuten kuparin) resistanssi pienenee vähitellen lämpötilan laskiessa. Kun lämpötila on lähellä 0K, sen vastus saavuttaa tietyn arvon. Vuonna 1919 hollantilainen tutkija Onnes käytti nestemäistä heliumia elohopean jäähdyttämiseen. Kun lämpötila laski 4,2 K: een (eli -269 ° C), hän huomasi, että elohopean vastus hävisi kokonaan.

Suprajohtavuus ja diamagnetismi ovat suprajohteiden kaksi tärkeää ominaisuutta. Lämpötilaa, jossa suprajohtimen resistanssi on nolla, kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi (TC). Suprajohtavien materiaalien tutkimuksen ongelmana on murtautua GG-lämpötilan, GG-lämpötilan esteen läpi, eli löytää korkean lämpötilan suprajohtavia materiaaleja.

NbTi: n ja Nb3Sn: n edustamia käytännön suprajohtavia materiaaleja on kaupan pidetty, ja niitä on käytetty monilla aloilla, kuten ihmisen ydinmagneettisen resonanssin kuvantaminen (NMRI), suprajohtavat magneetit ja suuret kiihdytysmagneetit; SQUIDia on käytetty suprajohteiden heikkovirtaisten sovellusten mallina. Sillä on tärkeä rooli heikkojen sähkömagneettisten signaalien mittauksessa, ja mikään muu ei-suprajohtava laite ei pysty saavuttamaan sen herkkyyttä. Koska perinteisten matalalämpötilaisten suprajohteiden kriittinen lämpötila on kuitenkin liian matala, niitä on käytettävä kalliissa ja monimutkaisissa nestemäisissä helium (4,2 K) -järjestelmissä, mikä rajoittaa vakavasti matalalämpötilojen suprajohtavien sovellusten kehitystä.

Korkean lämpötilan oksidi-suprajohteiden syntyminen on läpäissyt lämpötilan esteen ja nostanut suprajohtavuuden käyttölämpötilaa nestemäisestä heliumista (4,2 K) nestemäiseksi typeksi (77 K). Nestemäiseen heliumiin verrattuna nestemäinen typpi on erittäin taloudellinen kylmäaine ja sillä on korkeampi lämpökapasiteetti, mikä tuo mukavasti tekniikan sovelluksiin. Lisäksi korkean lämpötilan suprajohteilla on erittäin korkeat magneettiset ominaisuudet, ja niitä voidaan käyttää voimakkaiden magneettikenttien tuottamiseen yli 20T.

Suprajohtavien materiaalien houkuttelevimmat sovellukset ovat sähköntuotanto, voimansiirto ja energian varastointi. Suprajohtavien materiaalien käyttö suprajohtavan generaattorin kelamagneetin valmistamiseksi voi lisätä generaattorin magneettikentän voimakkuuden 50000-60000 Gaussiin, eikä energiahäviötä ole lainkaan. Perinteisiin generaattoreihin verrattuna suprajohtavien generaattoreiden yksittäinen kapasiteetti kasvaa 5 ~ 10 kertaa, sähköntuotannon hyötysuhde kasvaa 50%; suprajohtavat siirtojohdot ja suprajohtavat muuntajat voivat lähettää tehoa käyttäjille melkein ilman menetyksiä. Tilastojen mukaan noin 15% kuparin tai alumiinilangan voimansiirron tehohäviöistä on siirtolinjalla. Kiinassa vuotuinen tehohäviö on yli 100 miljardia astetta. Jos se muutetaan suprajohtavaksi voimansiirroksi, säästetty energia vastaa uusia kymmeniä suuria voimalaitoksia; suprajohtavien maglev-junien toimintaperiaate on käyttää suprajohtavien materiaalien diamagneettisia ominaisuuksia suprajohtavien materiaalien vähentämiseksi. Johtava materiaali sijoitetaan kestomagneetin (tai magneettikentän) yläpuolelle. Suprajohteen diamagnetismin takia magneetin magneettikentän viivat eivät voi kulkea suprajohtimen läpi. Magneetin (tai magneettikentän) ja suprajohtimen välille syntyy vastavoima, joka saa suprajohtimen levitoimaan sen yläpuolella. Tällaista magneettista levitaatiovaikutusta voidaan käyttää nopeiden suprajohtavien magneettisten levitaatiojunien, kuten Shanghai Pudongin kansainvälisen lentokentän suurnopeusjunien, valmistamiseen; suprajohtaville tietokoneille suurnopeustietokoneet edellyttävät komponenttien ja liitäntäjohtojen tiheää järjestämistä integroitujen piirien siruissa, mutta tiheästi järjestettyjä piirejä Suuri määrä lämpöä syntyy käytön aikana. Jos suprajohtavaa materiaalia, jonka vastus on lähellä nollaa, käytetään liitosjohdon tai suprajohtavan laitteen valmistamiseen ultramikrolämmityksellä, lämmöntuottoongelmia ei esiinny ja tietokoneen nopeutta voidaan parantaa huomattavasti.