ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

เริ่มแรกตัวนำยิ่งยวดมีการใช้งานที่ จำกัด มากเนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานไม่ควรเกิน 20K (-253 ° C) ตัวอย่างเช่นอุณหภูมิของฮีเลียมเหลวที่ 4.2 K (-268.8 ° C) เหมาะสำหรับตัวนำยิ่งยวดในการทำงาน แต่ต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการทำให้เย็นและรักษาอุณหภูมิต่ำซึ่งเป็นปัญหาทางเทคนิคอย่างมาก

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงที่ค้นพบในปี 1986 โดย Karl Müllerและ Georg Bednorets แสดงอุณหภูมิวิกฤตที่สูงกว่ามากและอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวที่ 75K (-198 ° C) สำหรับตัวนำดังกล่าวนั้นค่อนข้างเพียงพอสำหรับการใช้งาน นอกจากนี้ไนโตรเจนยังมีราคาถูกกว่าฮีเลียมในฐานะสารทำความเย็น

การค้นพบในปีพ. ศ. 2530 ของ "การกระโดดนำไปสู่เกือบเป็นศูนย์" ที่อุณหภูมิ 36K (-237 ° C) สำหรับสารประกอบแลนทานัมสตรอนเทียมทองแดงและออกซิเจน (La - Sr - Cu - O) เป็นจุดเริ่มต้น จากนั้นสมบัติของสารประกอบ yttrium, แบเรียม, ทองแดงและออกซิเจน (Y - Ba - Cu - O) เพื่อแสดงคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ 77.4 K (-195.6 ° C) เหนือจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว

ในปี 2546 พบสารประกอบเซรามิก Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤติ 138 K (-135 ° C) และถึง 166 K (-107 ° C) ที่ความดัน 400 kbar และในปี 2558 มีการบันทึกสถิติใหม่สำหรับไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ซึ่งกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ความดัน 100 GPa ที่อุณหภูมิไม่เกิน 203K (-70 ° C)

ยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพครั้งแรกในระดับกล้องจุลทรรศน์ได้รับการอธิบายในงานของนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน John Bardin, Leon Cooper และ John Shriffer ในปี 1957 ทฤษฎีของพวกเขาตั้งอยู่บนพื้นฐานของแนวคิดของคู่อิเล็กตรอนที่เรียกว่าคูเปอร์และทฤษฎีนั้นเรียกว่าทฤษฎี BCS ตามตัวอักษรตัวแรกของชื่อผู้เขียนและจนถึงทุกวันนี้ทฤษฎี macroscopic ของตัวนำยิ่งยวดนั้นโดดเด่น

ตามทฤษฎีนี้สถานะอิเล็กตรอนของคูเปอร์สัมพันธ์กับสปินและโมเมนต์ที่ตรงกันข้าม ในเวลาเดียวกันทฤษฎีใช้การเปลี่ยนแปลงที่เรียกว่าของ Nikolai Bogolyubov ซึ่งแสดงให้เห็นว่า superconductivity สามารถถือเป็นกระบวนการ superfluidity ของก๊าซอิเล็กตรอน

ใกล้ผิวน้ำเฟอร์มีอิเล็กตรอนสามารถดึงดูดได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการมีปฏิสัมพันธ์กับคนอื่นผ่านโฟนันส์และมีเพียงอิเล็กตรอนที่ดึงดูดซึ่งมีพลังงานที่แตกต่างจากพลังงานอิเล็กตรอนบนพื้นผิวแฟร์มีไม่เกิน hVd (นี่คือ Vd Debye ความถี่)

โต้ตอบอิเล็กตรอนและรวมกันเป็นคู่คูเปอร์ คู่เหล่านี้มีคุณสมบัติบางอย่างของโบซอนและโบซอนสามารถเข้าสู่สถานะควอนตัมเดี่ยวเมื่อเย็นลง ดังนั้นเนื่องจากคุณสมบัตินี้คู่สามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ชนกับตาข่ายหรืออิเล็กตรอนอื่น ๆ นั่นคือคูเปอร์เคลื่อนไหวโดยไม่สูญเสียพลังงาน

ในทางปฏิบัติตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงให้การส่งผ่านพลังงานแบบไม่สูญเสียซึ่งทำให้การแนะนำและการใช้งานในอนาคตมีประโยชน์และมีประสิทธิภาพ สายไฟ, หม้อแปลงไฟฟ้า, เครื่องใช้ไฟฟ้า, การจัดเก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำโดยไม่ จำกัด อายุ, อุปกรณ์ จำกัด กระแสไฟฟ้า ฯลฯ - ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงสามารถใช้งานได้ทุกที่ในงานวิศวกรรมไฟฟ้า

ขนาดจะลดลงการสูญเสียจะลดลงประสิทธิภาพการผลิตการส่งและการกระจายพลังงานไฟฟ้าโดยรวมจะเพิ่มขึ้น หม้อแปลง จะมีน้ำหนักน้อยลงและสูญเสียน้อยมากเมื่อเทียบกับหม้อแปลงที่มีขดลวดธรรมดา ตัวนำยิ่งยวดหม้อแปลงจะเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมพวกเขาจะไม่จำเป็นต้องระบายความร้อนและในกรณีของการโอเวอร์โหลดกระแสจะถูก จำกัด

ตัวนำยิ่งยวดที่ใช้กระแสไฟฟ้ายิ่งยวดน้อยกว่าเฉื่อย ด้วยการรวมการจัดเก็บพลังงานและเครื่องกำเนิดไฟฟ้ายิ่งยวดในเครือข่ายไฟฟ้าความมั่นคงของพวกเขาจะเพิ่มขึ้น แหล่งจ่ายไฟของ megacities จะดำเนินการโดยตัวนำยิ่งยวดสายเคเบิลใต้ดินที่สามารถดำเนินการได้ถึง 5 เท่าปัจจุบันและการวางสายเคเบิลดังกล่าวจะช่วยประหยัดพื้นที่ในเมืองอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากสายเคเบิลจะมีขนาดกะทัดรัดกว่าเมื่อเทียบกับที่ใช้ในปัจจุบัน

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าตัวอย่างเช่นการสร้างสายไฟสำหรับ 1 GW ที่แรงดันไฟฟ้า 154 kV หากใช้สายตัวนำยิ่งยวดจะมีราคาถูกกว่า 38% เมื่อเทียบกับการใช้เทคโนโลยีมาตรฐาน และนี่คือการคำนึงถึงการออกแบบและการติดตั้งเนื่องจากจำนวนเธรดที่ต้องการน้อยกว่าตามลำดับจำนวนสายเคเบิลทั้งหมดน้อยลงและเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อร้อยสายก็น้อยลงเช่นกัน

เป็นที่น่าสังเกตว่าพลังงานที่สำคัญสามารถส่งผ่านสายตัวนำยิ่งยวดได้แม้ที่แรงดันต่ำลดลง มลพิษทางแม่เหล็กไฟฟ้าและนี่เป็นความจริงสำหรับพื้นที่ที่มีประชากรหนาแน่นซึ่งการวางสายไฟฟ้าแรงสูงทำให้เกิดความกังวลทั้งในหมู่นักนิเวศวิทยาและสาธารณะ

การแนะนำของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงเข้าไปในเขตของพลังงานทางเลือกยังมีแนวโน้มที่การทำกำไรไม่ได้เป็นปัจจัยรองและการใช้ตัวนำยิ่งยวดที่นี่จะเพิ่มประสิทธิภาพของแหล่งใหม่ ยิ่งไปกว่านั้นในอีก 20 ปีข้างหน้ามีแนวโน้มที่มั่นคงต่อการพัฒนาอย่างรวดเร็วของพวกเขาในโลก