Applicazione della superconduttività nella scienza e nella tecnologia

La superconduttività è chiamata fenomeno quantistico, che consiste nel fatto che alcuni materiali, quando la loro temperatura viene portata a un certo valore critico, cominciano a mostrare resistenza elettrica nulla.

Oggi gli scienziati conoscono già diverse centinaia di elementi, leghe e ceramiche capaci di comportarsi in questo modo. Un conduttore che è entrato in uno stato superconduttore inizia a mostrare ciò che viene chiamato Effetto Meissner, quando il campo magnetico dal suo volume è completamente spostato verso l'esterno, il che, ovviamente, contraddice la descrizione classica degli effetti associati alla conduzione ordinaria in condizioni di un ipotetico ideale, cioè resistenza zero.

Nel periodo dal 1986 al 1993 sono stati scoperti numerosi superconduttori ad alta temperatura, cioè quelli che passano in uno stato superconduttore non più a temperature così basse come il punto di ebollizione dell'elio liquido (4,2 K), ma all'ebollizione punto di azoto liquido ( 77 K) — 18 volte superiore, che in condizioni di laboratorio può essere raggiunto molto più facile ed economico che con l'elio.

Maggiore interesse per l'applicazione pratica superconduttività iniziò negli anni '50 quando i superconduttori di tipo II, con la loro elevata densità di corrente e induzione magnetica, apparvero brillantemente all'orizzonte. Poi hanno cominciato ad acquisire un'importanza sempre più pratica.

La legge dell'induzione elettromagnetica ci dice che intorno alla corrente elettrica c'è sempre campo magnetico... E poiché i superconduttori conducono corrente senza resistenza, è sufficiente semplicemente mantenere tali materiali alle giuste temperature e ottenere così parti per creare elettromagneti ideali.

Ad esempio, nella diagnostica medica, la tecnologia di imaging a risonanza magnetica prevede l'uso di potenti elettromagneti superconduttori nei tomografi. Senza di loro, i medici non sarebbero in grado di ottenere immagini così impressionanti ad alta risoluzione dei tessuti interni del corpo umano senza ricorrere all'uso di un bisturi.

Hanno acquisito grande importanza le leghe superconduttrici come gli intermetallici niobio-titanio e niobio-stagno, dai quali è tecnicamente facile ottenere filamenti superconduttori sottili stabili e fili intrecciati.

Gli scienziati hanno da tempo creato liquefattori e frigoriferi con un'elevata capacità di raffreddamento (a livello di temperatura dell'elio liquido), sono stati loro a contribuire allo sviluppo della tecnologia dei superconduttori nell'URSS. Anche allora, negli anni '80, furono costruiti grandi sistemi elettromagnetici.

È stata lanciata la prima struttura sperimentale al mondo, T-7, progettata per studiare la possibilità di avviare una reazione di fusione, in cui sono necessarie bobine superconduttrici per creare un campo magnetico toroidale.Nei grandi acceleratori di particelle, le bobine superconduttrici vengono utilizzate anche nelle camere a bolle di idrogeno liquido.

Vengono sviluppati e creati generatori a turbina (negli anni '80 del secolo scorso sono stati creati generatori a turbina ultrapotenti KGT-20 e KGT-1000 sulla base di superconduttori), motori elettrici, cavi, separatori magnetici, sistemi di trasporto, ecc.

Misuratori di portata, misuratori di livello, barometri, termometri: i superconduttori sono ottimi per tutti questi strumenti di precisione Le principali aree di applicazione industriale dei superconduttori rimangono due: i sistemi magnetici e le macchine elettriche.

Poiché il superconduttore non lascia passare il flusso magnetico, ciò significa che un prodotto di questo tipo scherma la radiazione magnetica. Questa proprietà dei superconduttori viene utilizzata nei dispositivi a microonde di precisione, nonché per proteggere da un fattore dannoso così pericoloso di un'esplosione nucleare come una potente radiazione elettromagnetica.

Di conseguenza, i superconduttori a bassa temperatura rimangono indispensabili per la creazione di magneti in apparecchiature di ricerca come acceleratori di particelle e reattori a fusione.

I treni a levitazione magnetica, oggi utilizzati attivamente in Giappone, possono ora muoversi a una velocità di 600 km / he hanno da tempo dimostrato la loro fattibilità ed efficienza.

L'assenza di resistenza elettrica nei superconduttori rende più economico il processo di trasferimento dell'energia elettrica. Ad esempio, un sottile cavo superconduttore posato sotto terra potrebbe in linea di principio trasmettere energia che richiederebbe uno spesso fascio di fili, una linea ingombrante, per trasmetterla nel modo tradizionale.

Attualmente, rimangono rilevanti solo i problemi di costo e manutenzione associati alla necessità di pompare continuamente azoto attraverso il sistema. Tuttavia, nel 2008, American Superconductor ha lanciato con successo la prima linea di trasmissione superconduttiva commerciale a New York.

Inoltre, esiste la tecnologia delle batterie industriali che consente oggi di accumulare e immagazzinare (accumulare) energia sotto forma di corrente circolante continua.

Combinando i superconduttori con i semiconduttori, gli scienziati stanno creando computer quantistici ultraveloci che stanno introducendo il mondo a una nuova generazione di tecnologia informatica.

Il fenomeno della dipendenza della temperatura di transizione di una sostanza in uno stato superconduttore dall'ampiezza del campo magnetico è alla base dei resistori controllati: i criotroni.

Al momento, ovviamente, possiamo parlare di progressi significativi in ​​\u200b\u200btermini di progressi verso l'ottenimento di superconduttori ad alta temperatura.

Ad esempio, la composizione metallo-ceramica YBa2Cu3Ox entra in uno stato superconduttore a una temperatura superiore alla temperatura di liquefazione dell'azoto!

Tuttavia, la maggior parte di queste soluzioni è dovuta al fatto che i campioni ottenuti sono fragili e instabili; pertanto, le suddette leghe di niobio sono ancora rilevanti nella tecnologia.

I superconduttori consentono di creare rivelatori di fotoni. Alcuni usano la riflessione Andreev, altri usano l'effetto Josephson, il fatto della presenza di una corrente critica, ecc.

Sono stati costruiti rivelatori che registrano singoli fotoni dalla gamma dell'infrarosso, che mostrano una serie di vantaggi rispetto ai rivelatori basati su altri principi di registrazione, come moltiplicatori fotoelettrici, ecc.

Le celle di memoria possono essere create sulla base di vortici nei superconduttori. Alcuni solitoni magnetici sono già usati in modo simile. I solitoni magnetici bidimensionali e tridimensionali sono simili ai vortici in un liquido, dove il ruolo delle linee di flusso è svolto dalle linee di allineamento del dominio.

I calamari sono dispositivi superconduttori in miniatura basati su anelli che funzionano in base alla relazione tra i cambiamenti nel flusso magnetico e la tensione elettrica. Tali microdispositivi funzionano in magnetometri altamente sensibili in grado di misurare il campo magnetico terrestre, nonché in apparecchiature mediche per ottenere magnetogrammi di organi scansionati.