Wat is supergeleidend materiaal

Wanneer de temperatuur daalt tot een bepaalde kritische temperatuur, verdwijnt de weerstand van sommige materialen volledig. Dit fenomeen wordt supergeleiding genoemd en materialen met dit fenomeen worden supergeleidende materialen genoemd. Een ander kenmerk van supergeleiders is dat wanneer de weerstand verdwijnt, de magnetische inductielijnen niet door de supergeleider gaan. Dit fenomeen wordt diamagnetisme genoemd.

De soortelijke weerstand van algemene metalen (zoals koper) neemt geleidelijk af naarmate de temperatuur daalt. Wanneer de temperatuur dicht bij 0K ligt, bereikt zijn weerstand een bepaalde waarde. In 1919 gebruikte de Nederlandse wetenschapper Onnes vloeibaar helium om kwik af te koelen. Toen de temperatuur daalde tot 4,2 K (dwz -269 ° C), ontdekte hij dat de weerstand van kwik volledig verdween.

Supergeleiding en diamagnetisme zijn twee belangrijke kenmerken van supergeleiders. De temperatuur waarbij de weerstand van de supergeleider nul is, wordt de kritische temperatuur (TC) genoemd. Het probleem bij het onderzoek naar supergeleidende materialen is het doorbreken van de" temperatuurbarrière", dat wil zeggen, het vinden van supergeleidende materialen voor hoge temperaturen.

Praktische supergeleidende materialen vertegenwoordigd door NbTi en Nb3Sn zijn gecommercialiseerd, en zijn toegepast op vele gebieden, zoals nucleaire magnetische resonantie menselijke beeldvorming (NMRI), supergeleidende magneten en grote versnellermagneten; SQUID is gebruikt als een model van supergeleider zwakstroomtoepassingen. Het speelt een belangrijke rol bij het meten van zwakke elektromagnetische signalen, en zijn gevoeligheid is onbereikbaar voor enig ander niet-supergeleidend apparaat. Omdat de kritische temperatuur van conventionele lage-temperatuur-supergeleiders echter te laag is, moeten ze worden gebruikt in dure en gecompliceerde systemen met vloeibaar helium (4,2 K), wat de ontwikkeling van supergeleidende toepassingen bij lage temperaturen ernstig beperkt.

De opkomst van hogetemperatuur-oxidesupergeleiders heeft de temperatuurbarrière doorbroken en de toepassingstemperatuur van supergeleiding verhoogd van vloeibaar helium (4,2 K) naar vloeibaar stikstof (77 K). In vergelijking met vloeibaar helium is vloeibare stikstof een zeer zuinig koudemiddel en heeft het een hogere warmtecapaciteit, wat veel gemak biedt voor technische toepassingen. Bovendien hebben supergeleiders op hoge temperatuur zeer hoge magnetische eigenschappen en kunnen ze worden gebruikt om sterke magnetische velden boven de 20T op te wekken.

De meest aantrekkelijke toepassingen van supergeleidende materialen zijn energieopwekking, krachtoverbrenging en energieopslag. Het gebruik van supergeleidende materialen om de spoelmagneet van een supergeleidende generator te maken, kan de magnetische veldsterkte van de generator verhogen tot 50.000 tot 60.000 Gauss, en er is bijna geen energieverlies. In vergelijking met conventionele generatoren wordt de enkele capaciteit van supergeleidende generatoren met 5 ~ 10 keer verhoogd, de efficiëntie van de energieopwekking met 50%; supergeleidende transmissielijnen en supergeleidende transformatoren kunnen vrijwel zonder verlies stroom naar gebruikers overbrengen. Volgens statistieken bevindt ongeveer 15% van het vermogensverlies bij de transmissie van koper- of aluminiumdraad zich op de transmissielijn. In China bedraagt ​​het jaarlijkse stroomverlies meer dan 100 miljard graden. Als wordt overgeschakeld op supergeleidende krachtoverbrenging, is de bespaarde energie gelijk aan de nieuwe tientallen grootschalige energiecentrales; het werkingsprincipe van supergeleidende magneettreinen is om de diamagnetische eigenschappen van supergeleidende materialen te gebruiken om supergeleidende materialen te verminderen. Het geleidende materiaal wordt boven de permanente magneet (of magnetisch veld) geplaatst. Door het diamagnetisme van de supergeleider kunnen de magnetische veldlijnen van de magneet niet door de supergeleider gaan. Er wordt een afstotende kracht opgewekt tussen de magneet (of het magnetische veld) en de supergeleider, waardoor de supergeleider erboven zweeft. Dit soort magnetisch levitatie-effect kan worden gebruikt om supersnelle supergeleidende magnetische levitatietreinen te maken, zoals de hogesnelheidstreinen op Shanghai Pudong International Airport; voor supergeleidende computers vereisen hogesnelheidscomputers een dichte opstelling van componenten en verbindingslijnen op geïntegreerde schakelingen, maar dicht op elkaar geplaatste schakelingen. Tijdens het gebruik wordt een grote hoeveelheid warmte gegenereerd. Als een supergeleidend materiaal met een weerstand van bijna nul wordt gebruikt om een ​​aansluitdraad of een supergeleidend apparaat met ultra-micro verwarming te maken, zal er geen probleem zijn met de warmteafvoer en kan de snelheid van de computer aanzienlijk worden verbeterd.