Свръхпроводимост на висока температура

Първоначално свръхпроводниците имаха много ограничено приложение, тъй като работната им температура не трябва да надвишава 20K (-253 ° C). Например температурата на течния хелий при 4.2 K (-268.8 ° C) е добре подходяща за работа на свръхпроводника, но е необходимо много енергия за охлаждане и поддържане на такава ниска температура, което технически е много проблематично.

Високотемпературните свръхпроводници, открити през 1986 г. от Карл Мюлер и Георг Беднорец, показаха критична температура много по-висока, а температурата на течния азот при 75 К (-198 ° С) за такива проводници е напълно достатъчна за работа. В допълнение, азотът е много по-евтин от хелия като хладилен агент.

Откриването през 1987 г. на "скок в проводимостта до почти нула" при температура 36K (-237 ° C) за съединенията на лантан, стронций, мед и кислород (La - Sr - Cu - O) беше началото. Тогава първо беше открито свойството на съединенията на итрий, барий, мед и кислород (Y - Ba - Cu - O) да проявяват свръхпроводящи свойства при температура 77,4 К (-195,6 ° С) над точката на кипене на течния азот.

През 2003 г. е открито керамичното съединение Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), което има критична температура от 138 K (-135 ° C) и достига 166 K (-107 ° C) при налягане 400 kbar; и през 2015 г. беше поставен нов рекорд за сероводород (H2S), който се превърна в свръхпроводник при налягане 100 GPa, при температура не по-висока от 203K (-70 ° C).

Свръхпроводимостта като физическо явление, първо на микроскопично ниво, е обяснено в работата на американските физици Джон Бардин, Леон Купър и Джон Шрифер през 1957 г. Тяхната теория се основава на концепцията за така наречените електронни двойки на Купър, а самата теория се нарича теория BCS, според първите букви на имената на нейните автори и до ден днешен тази макроскопична теория за свръхпроводниците е доминираща.

Според тази теория, електронните състояния на Купър двойки корелират с противоположни завъртания и момент. В същото време теорията използва така наречените трансформации на Николай Боголюбов, които показаха, че свръхпроводимостта може да се разглежда като процес на свръхтечност на електронен газ.

В близост до повърхността на Ферми електроните могат да бъдат ефективно привлечени чрез взаимодействие помежду си чрез фонони и се привличат само онези електрони, чиято енергия се различава от енергията на електроните на повърхността на Ферми с не повече от hVd (тук Vd е честотата на Debye), а останалите електрони не взаимодействат.

Взаимодействащи електрони и се комбинират в двойки на Купър. Тези двойки притежават някои свойства, характерни за бозоните, и бозоните могат да преминат в едно квантово състояние при охлаждане. По този начин, поради тази характеристика, двойките могат да се движат, без да се сблъскват или с решетката, или с други електрони, тоест Купър двойките се движат без загуба на енергия.

На практика високотемпературните свръхпроводници осигуряват без загуба предаване на енергия, което прави тяхното въвеждане и използване в бъдеще полезно и ефективно. Силови кабели, трансформатори, електрически машини, индуктивно съхранение на енергия с неограничен срок на годност, ограничители на ток и др. - високотемпературни свръхпроводници са приложими навсякъде в електротехниката.

Размерите ще бъдат намалени, загубите ще бъдат намалени, ефективността на производството, предаването и разпределението на електрическата енергия като цяло ще се увеличи. трансформатори ще има по-малко тегло и много ниски загуби, в сравнение с трансформатори с конвенционални намотки. Свръхпроводящите трансформатори ще бъдат екологични, няма да е необходимо да се охлаждат и в случай на претоварване, токът ще бъде ограничен.

Ограничителите на тока на свръхпроводящи са по-малко инерционни. Когато включите устройства за съхранение на енергия и свръхпроводящи генератори в електрически мрежи, тяхната стабилност ще се увеличи. Захранването на мегаполисите ще се осъществява с помощта на свръхпроводящи подземни кабели, които могат да изведат до 5 пъти по-голям ток, а полагането на такива кабели значително ще спести градските зони, тъй като кабелите ще бъдат по-компактни в сравнение с използваните днес.

Изчисленията показват, че например изграждането на електропровод за 1 GW при напрежение 154 kV, ако се използват свръхпроводящи кабели, ще струва с 38% по-евтино, отколкото ако беше изпълнено по стандартна технология. И това се взема предвид при проектирането и монтажа, тъй като броят на необходимите нишки е по-малък, съответно общият брой кабели е по-малък, а вътрешният диаметър на тръбите също е по-малък.

Прави впечатление, че значителна мощност може да се предава чрез свръхпроводящ кабел дори при ниско напрежение, намалявайки електромагнитно замърсяване, а това важи за гъсто населените райони, където полагането на линии с високо напрежение предизвиква безпокойство както сред еколозите, така и сред обществеността.

Въвеждането на високотемпературни свръхпроводници в областта на алтернативната енергия също е обещаващо, където рентабилността в никакъв случай не е вторичен фактор, а използването на свръхпроводници тук ще повиши ефективността на новите източници. Нещо повече, през следващите 20 години има стабилна тенденция към бързото им развитие в света.