Superledningsevne ved høj temperatur

Oprindeligt havde superledere en meget begrænset anvendelse, da deres driftstemperatur ikke skulle overstige 20K (-253 ° C). F.eks. Er temperaturen på flydende helium ved 4,2 K (-268,8 ° C) velegnet til at superlederen kan arbejde, men det kræver en masse energi at afkøle og opretholde en sådan lav temperatur, hvilket er teknisk meget problematisk.

Højtemperatur-superledere, der blev opdaget i 1986 af Karl Müller og Georg Bednorets, viste en kritisk temperatur meget højere, og temperaturen af ​​flydende nitrogen ved 75 K (-198 ° C) for sådanne ledere er helt nok til drift. Derudover er nitrogen meget billigere end helium som kølemiddel.

Opdagelsen i 1987 af et "spring i ledningsevne til næsten nul" ved en temperatur på 36K (-237 ° C) for forbindelser af lanthan, strontium, kobber og ilt (La - Sr - Cu - O) var begyndelsen. Derefter blev egenskaben af ​​yttrium-, barium-, kobber- og iltforbindelserne (Y - Ba - Cu - O) -forbindelserne til at udvise superledende egenskaber opdaget for første gang ved en temperatur på 77,4 K (-195,6 ° C) over kogepunktet for flydende nitrogen.

I 2003 blev den keramiske forbindelse Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) opdaget, som har en kritisk temperatur på 138 K (-135 ° C) og når 166 K (-107 ° C) ved et tryk på 400 kbar; og i 2015 blev der sat en ny rekord for hydrogensulfid (H2S), der blev en superleder ved et tryk på 100 GPa, ved en temperatur på ikke over 203K (-70 ° C).

Superledelse som et fysisk fænomen, først på mikroskopisk niveau, blev forklaret i arbejdet med de amerikanske fysikere John Bardin, Leon Cooper og John Shriffer i 1957. Deres teori var baseret på begrebet de såkaldte Cooper-elektronpar, og selve teorien blev kaldt BCS-teorien i henhold til de første bogstaver i navnene på dets forfattere, og i dag er denne makroskopiske teori om superledere dominerende.

I henhold til denne teori korrelerer elektronstaternes Cooper-par med modsatte spins og momenta. På samme tid brugte teorien de såkaldte transformationer af Nikolai Bogolyubov, som viste, at superledningsevne kan betragtes som en proces til overfladighed i en elektrongas.

Tæt på Fermi-overfladen kan elektroner tiltrækkes effektivt ved at interagere med hinanden via fononer, og kun de elektroner tiltrækkes, hvis energi afviger fra elektronenergien på Fermi-overfladen med højst hVd (her Vd er Debye-frekvensen), og resten af ​​elektronerne interagerer ikke.

Interagerer elektroner og kombineres i Cooper-par. Disse par har nogle egenskaber, der er karakteristiske for bosoner, og bosoner kan gå over i en enkelt kvantetilstand ved afkøling. På grund af denne funktion kan par således bevæge sig uden at kollidere med hverken gitteret eller andre elektroner, dvs. Cooper-par bevæger sig uden energitab.

I praksis giver højtemperatur-superledere tabsfri kraftoverførsel, hvilket gør deres introduktion og anvendelse i fremtiden nyttig og effektiv. Strømkabler, transformere, elektriske maskiner, induktiv energilagring med ubegrænset holdbarhed, strømbegrænsere osv. - Højtemperatur-superledere kan anvendes overalt inden for elektroteknik.

Dimensioner vil blive reduceret, tab vil blive reduceret, effektiviteten i produktion, transmission og distribution af elektrisk energi som helhed vil stige. transformers vil have mindre vægt og meget lave tab sammenlignet med transformere med konventionelle viklinger. Superledende transformatorer vil være miljøvenlige, de behøver ikke at blive afkølet, og i tilfælde af overbelastning vil strømmen være begrænset.

Superledende strømbegrænsere er mindre inertielle. Med inkluderingen af ​​energilagring og superledende generatorer i elektriske netværk vil deres stabilitet øges. Strømforsyning med megaciteter udføres ved hjælp af superledende underjordiske kabler, der kan lede op til 5 gange mere strøm, og lægningen af ​​sådanne kabler vil betydeligt spare byområder, da kablerne vil være mere kompakte sammenlignet med dem, der bruges i dag.

Beregninger viser, at for eksempel at bygge en kraftledning til 1 GW ved en spænding på 154 kV, hvis superledende kabler bruges, vil koste 38% billigere end hvis den blev implementeret ved hjælp af standardteknologi. Og dette tager højde for design og installation, fordi antallet af krævede gevind er henholdsvis mindre, det samlede antal kabler er mindre, og den indvendige diameter af ledningerne er også mindre.

Det er bemærkelsesværdigt, at en betydelig strøm kan overføres gennem et superledende kabel, selv ved lav spænding, hvilket reducerer elektromagnetisk forurening, og dette er tilfældet for tæt befolkede områder, hvor lægning af højspændingsledninger skaber bekymring, både blandt økologer og offentligheden.

Indførelsen af ​​højtemperatur-superledere i området for alternativ energi er også lovende, hvor rentabiliteten på ingen måde er en sekundær faktor, og brugen af ​​superledere her vil øge effektiviteten af ​​nye kilder. Derudover er der en jævn tendens til deres hurtige udvikling i verden i de næste 20 år.