تطبيق الموصلية الفائقة في العلوم والتكنولوجيا

تسمى الموصلية الفائقة ظاهرة كمومية ، والتي تتمثل في حقيقة أن بعض المواد ، عندما تصل درجة حرارتها إلى قيمة حرجة معينة ، تبدأ في إظهار مقاومة كهربائية صفرية.

اليوم ، يعرف العلماء بالفعل عدة مئات من العناصر والسبائك والسيراميك القادرة على التصرف بهذه الطريقة. يبدأ الموصل الذي دخل في حالة فائقة التوصيل في إظهار ما يسمى تأثير مايسنر، عندما يتم إزاحة المجال المغناطيسي من حجمه تمامًا إلى الخارج ، وهو ما يتعارض بالطبع مع الوصف الكلاسيكي للتأثيرات المرتبطة بالتوصيل العادي في ظل ظروف مثالية افتراضية ، أي المقاومة الصفرية.

في الفترة من 1986 إلى 1993 ، تم اكتشاف عدد من الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، أي تلك التي تنتقل إلى حالة فائقة التوصيل لم تعد عند درجات حرارة منخفضة مثل درجة غليان الهيليوم السائل (4.2 كلفن) ، ولكن عند الغليان. نقطة النيتروجين السائل (77 كلفن) - 18 مرة أعلى ، والتي يمكن تحقيقها في ظروف المختبر بشكل أسهل وأرخص بكثير من الهيليوم.

زيادة الاهتمام بالتطبيق العملي الموصلية الفائقة بدأت في الخمسينيات من القرن الماضي عندما ظهرت الموصلات الفائقة من النوع الثاني ، بكثافة تيارها العالية وتحريضها المغناطيسي ، بشكل لامع في الأفق. ثم بدأوا في اكتساب المزيد والمزيد من الأهمية العملية.

يخبرنا قانون الحث الكهرومغناطيسي أن التيار الكهربائي موجود دائمًا حقل مغناطيسي... وبما أن الموصلات الفائقة تجري تيارًا بدون مقاومة ، يكفي ببساطة الحفاظ على هذه المواد عند درجات الحرارة المناسبة وبالتالي الحصول على أجزاء لإنشاء مغناطيس كهربائي مثالي.

على سبيل المثال ، في التشخيص الطبي ، تتضمن تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي استخدام مغناطيسات كهربائية قوية فائقة التوصيل في التصوير المقطعي. بدونها ، لن يتمكن الأطباء من الحصول على مثل هذه الصور الرائعة عالية الدقة للأنسجة الداخلية لجسم الإنسان دون اللجوء إلى استخدام مشرط.

اكتسبت السبائك فائقة التوصيل مثل النيوبيوم-تيتانيوم والنيوبيوم-القصدير بين المعادن أهمية كبيرة ، ومن السهل تقنيًا الحصول على خيوط رفيعة فائقة التوصيل وأسلاك مجدولة.

ابتكر العلماء منذ فترة طويلة مسيلات وثلاجات ذات قدرة تبريد عالية (عند مستوى درجة حرارة الهيليوم السائل) ، وكانوا هم الذين ساهموا في تطوير تقنية التوصيل الفائق في الاتحاد السوفيتي. حتى ذلك الحين ، في الثمانينيات ، تم بناء أنظمة كهرومغناطيسية كبيرة.

تم إطلاق أول منشأة تجريبية في العالم ، T-7 ، لدراسة إمكانية بدء تفاعل الاندماج ، حيث تكون الملفات فائقة التوصيل مطلوبة لإنشاء مجال مغناطيسي حلقي.في مسرعات الجسيمات الكبيرة ، تُستخدم الملفات فائقة التوصيل أيضًا في غرف فقاعات الهيدروجين السائلة.

تم تطوير وإنشاء مولدات التوربينات (في الثمانينيات من القرن الماضي ، تم إنشاء مولدات توربينية فائقة القوة KGT-20 و KGT-1000 على أساس الموصلات الفائقة) ، والمحركات الكهربائية ، والكابلات ، والفواصل المغناطيسية ، وأنظمة النقل ، إلخ.

تعتبر أجهزة قياس التدفق ، ومقاييس المستوى ، ومقاييس الحرارة ، ومقاييس الحرارة - الموصلات الفائقة رائعة لجميع هذه الأدوات الدقيقة. تظل المجالات الرئيسية للتطبيق الصناعي للموصلات الفائقة مجالين: الأنظمة المغناطيسية والآلات الكهربائية.

نظرًا لأن الموصل الفائق لا يمرر التدفق المغناطيسي ، فهذا يعني أن منتجًا من هذا النوع يحمي الإشعاع المغناطيسي. تُستخدم خاصية الموصلات الفائقة هذه في أجهزة الميكروويف الدقيقة ، وكذلك للحماية من عامل ضار خطير ناتج عن انفجار نووي مثل الإشعاع الكهرومغناطيسي القوي.

نتيجة لذلك ، تظل الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة لا غنى عنها لإنشاء مغناطيس في معدات البحث مثل مسرعات الجسيمات ومفاعلات الاندماج.

يمكن لقطارات الرفع المغناطيسي ، التي تستخدم اليوم بنشاط في اليابان ، التحرك بسرعة 600 كم / ساعة وقد أثبتت جدواها وكفاءتها منذ فترة طويلة.

إن عدم وجود مقاومة كهربائية في الموصلات الفائقة يجعل عملية نقل الطاقة الكهربائية أكثر اقتصادا. على سبيل المثال ، يمكن للكابل الرفيع الموصل الفائق الموضوع تحت الأرض أن ينقل من حيث المبدأ طاقة تتطلب حزمة سميكة من الأسلاك - خطًا ثقيلًا - لنقلها بالطريقة التقليدية.

في الوقت الحالي ، تظل قضايا التكلفة والصيانة المرتبطة بالحاجة إلى ضخ النيتروجين باستمرار من خلال النظام ذات صلة. ومع ذلك ، في عام 2008 ، أطلقت شركة American Superconductor بنجاح أول خط نقل تجاري فائق التوصيل في نيويورك.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك تقنية صناعية للبطاريات تسمح اليوم بتجميع وتخزين (تراكم) الطاقة في شكل تيار دائري مستمر.

من خلال الجمع بين الموصلات الفائقة وأشباه الموصلات ، يصنع العلماء حواسيب كمومية فائقة السرعة تقدم العالم إلى جيل جديد من تكنولوجيا الحوسبة.

إن ظاهرة اعتماد درجة حرارة الانتقال لمادة في حالة فائقة التوصيل على حجم المجال المغناطيسي هي أساس المقاومات الخاضعة للرقابة - الكريوترونات.

في الوقت الحالي ، بالطبع ، يمكننا التحدث عن تقدم كبير من حيث التقدم نحو الحصول على موصلات فائقة عالية الحرارة.

على سبيل المثال ، يدخل التركيب المعدني الخزفي YBa2Cu3Ox في حالة فائقة التوصيل عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة تسييل النيتروجين!

ومع ذلك ، فإن معظم هذه الحلول ترجع إلى حقيقة أن العينات التي تم الحصول عليها هشة وغير مستقرة ؛ لذلك ، لا تزال سبائك النيوبيوم المذكورة أعلاه ذات صلة بالتكنولوجيا.

تجعل الموصلات الفائقة من الممكن إنشاء كاشفات الفوتون. يستخدم البعض منهم انعكاس أندريف ، والبعض الآخر يستخدم تأثير جوزيفسون ، وحقيقة وجود تيار حرج ، وما إلى ذلك.

تم بناء أجهزة الكشف التي تسجل فوتونات مفردة من نطاق الأشعة تحت الحمراء ، والتي تُظهر عددًا من المزايا على الكاشفات بناءً على مبادئ التسجيل الأخرى ، مثل المضاعفات الكهروضوئية ، إلخ.

يمكن إنشاء خلايا الذاكرة بناءً على دوامات في الموصلات الفائقة. بعض السوليتونات المغناطيسية مستخدمة بالفعل بطريقة مماثلة. تتشابه السلتونات المغناطيسية ثنائية وثلاثية الأبعاد مع الدوامات في السائل ، حيث يتم لعب دور الانسياب بواسطة خطوط محاذاة المجال.

الحبار عبارة عن أجهزة فائقة التوصيل تعتمد على الحلقات الصغيرة وتعمل على أساس العلاقة بين التغيرات في التدفق المغناطيسي والجهد الكهربائي. تعمل هذه الأجهزة الدقيقة في مقاييس مغنطيسية شديدة الحساسية قادرة على قياس المجال المغناطيسي للأرض ، وكذلك في المعدات الطبية للحصول على الرسوم المغناطيسية للأعضاء الممسوحة ضوئيًا.