Augstas temperatūras supravadītspēja

Sākumā supravadītājiem bija ļoti ierobežots pielietojums, jo to darba temperatūra nedrīkst pārsniegt 20 K (-253 ° C). Piemēram, šķidrā hēlija temperatūra 4,2 K (-268,8 ° C) ir labi piemērota, lai supravadītājs darbotos, taču tik zemas temperatūras atdzesēšanai un uzturēšanai tas prasa daudz enerģijas, kas tehniski ir ļoti problemātiska.

Kārļa Millera un Georga Bednoretsa 1986. gadā atklātie augstas temperatūras supravadītāji uzrādīja daudz augstāku kritisko temperatūru, un šādiem vadītājiem šķidrā slāpekļa temperatūra 75 K (-198 ° C) ir pilnīgi pietiekama, lai darbotos. Turklāt slāpeklis ir daudz lētāks nekā hēlijs kā dzesēšanas līdzeklis.

Sākumā tika atklāts 1987. gadā lantāna, stroncija, vara un skābekļa (La - Sr - Cu - O) savienojumu "vadītspējas lēciens līdz gandrīz nullei" 36K (-237 ° C) temperatūrā. Pēc tam pirmo reizi itrija, bārija, vara un skābekļa (Y-Ba-Cu-O) savienojumu īpašība, kas piemīt supravadošām īpašībām, tika atklāta 77,4 K (-195,6 ° C) temperatūrā virs šķidrā slāpekļa viršanas punkta.

2003. gadā tika atklāts keramikas savienojums Hg-Ba-Ca-Cu-O (F), kura kritiskā temperatūra ir 138 K (-135 ° C) un sasniedz 166 K (-107 ° C) pie 400 kbar spiediena; un 2015. gadā tika uzstādīts jauns rekords attiecībā uz sērūdeņradi (H2S), kas kļuva par supravadītāju pie spiediena 100 GPa temperatūrā, kas nepārsniedz 203 K (-70 ° C).

Supravadītspēja kā fiziska parādība, vispirms mikroskopiskā līmenī, tika izskaidrota amerikāņu fiziķu Džona Bardina, Leona Kūpera un Džona Šifera darbā 1957. gadā. Viņu teorija balstījās uz tā saukto Kūpera elektronu pāru koncepciju, un pati teorija tika saukta par BCS teoriju, saskaņā ar tās autoru vārdu pirmajiem burtiem, un līdz šai dienai šī makrokopiskā supervadītāju teorija ir dominējošā.

Saskaņā ar šo teoriju Kūpera pāru elektronu stāvokļi korelē ar pretējiem griezieniem un momentiem. Tajā pašā laikā teorijā tika izmantotas tā saucamās Nikolaja Bogolyubova pārvērtības, kurš parādīja, ka supravadītspēju var uzskatīt par elektronu gāzes superfluiditātes procesu.

Netālu no Fermi virsmas elektronus var efektīvi piesaistīt, mijiedarbojoties viens ar otru caur fononiem, un tiek piesaistīti tikai tie elektroni, kuru enerģija atšķiras no elektronu enerģijas uz Fermi virsmas ne vairāk kā hVd (šeit Vd ir Debye frekvence), un pārējie elektroni nesadarbojas.

Mijiedarbojoties elektroniem un apvienojiet Cooper pāros. Šiem pāriem piemīt dažas bosoniem raksturīgas īpašības, un dzesējot, bozoni var pāriet vienā kvantu stāvoklī. Tādējādi, pateicoties šai īpašībai, pāri var pārvietoties, nesaskaroties ne ar režģi, ne ar citiem elektroniem, tas ir, Kūpera pāri pārvietojas bez enerģijas zudumiem.

Praksē augstas temperatūras supravadītāji nodrošina bez zudumiem enerģijas pārvadi, kas padara to ieviešanu un izmantošanu nākotnē noderīgu un efektīvu. Strāvas kabeļi, transformatori, elektriskās mašīnas, induktīvās enerģijas uzkrāšana ar neierobežotu glabāšanas laiku, strāvas ierobežotāji utt. - Augstas temperatūras supravadītāji ir izmantojami visur elektrotehnikā.

Tiks samazināti izmēri, samazināti zaudējumi, palielināsies elektroenerģijas ražošanas, pārvades un sadales efektivitāte kopumā. Transformatori būs mazāks svars un ļoti mazi zaudējumi, salīdzinot ar transformatoriem ar parastajiem tinumiem. Supravadošie transformatori būs videi draudzīgi, tie nebūs jāatdzesē, un pārslodzes gadījumā strāva būs ierobežota.

Supravadošie strāvas ierobežotāji ir mazāk inerciāli. Ieslēdzot enerģijas uzkrāšanas ierīces un supravadošos ģeneratorus elektriskajos tīklos, to stabilitāte palielināsies. Megapilsētu energoapgāde tiks veikta, izmantojot supravadošus pazemes kabeļus, kas var vadīt līdz pat 5 reizes lielāku strāvu, un šādu kabeļu ieguldīšana ievērojami ietaupīs pilsētu teritorijas, jo kabeļi būs kompakti salīdzinājumā ar šodien izmantotajiem.

Aprēķini rāda, ka, piemēram, elektrolīnijas izbūve 1 GW pie sprieguma 154 kV, ja tiek izmantoti supravadošie kabeļi, maksās par 38% lētāk nekā tad, ja tā tiktu ieviesta, izmantojot standarta tehnoloģijas. Un tas ņem vērā projektēšanu un uzstādīšanu, jo attiecīgi ir mazāks nepieciešamo pavedienu skaits, kopējais kabeļu skaits ir mazāks, un arī cauruļvadu iekšējais diametrs ir mazāks.

Jāatzīmē, ka ievērojamu jaudu var pārraidīt caur supravadošu kabeli pat pie zema sprieguma, samazinot elektromagnētiskais piesārņojums, un tas attiecas uz blīvi apdzīvotām vietām, kur augstsprieguma līniju ierīkošana rada bažas gan ekologu, gan sabiedrības vidū.

Daudzsološa ir arī augstas temperatūras supravadītāju ieviešana alternatīvās enerģijas jomā, kur rentabilitāte nekādā ziņā nav sekundārs faktors, un supravadītāju izmantošana šeit palielinās jauno avotu efektivitāti. Turklāt nākamos 20 gadus pasaulē ir pastāvīga tendence uz strauju attīstību.