A szupravezetés alkalmazása a tudományban és a technológiában
A szupravezetést kvantumjelenségnek nevezzük, amely abból áll, hogy egyes anyagok, amikor hőmérsékletüket egy bizonyos kritikus értékre hozzuk, nulla elektromos ellenállást kezdenek mutatni.
Ma már több száz ilyen viselkedésre képes elemet, ötvözetet és kerámiát ismernek a tudósok. A szupravezető állapotba került vezetőn megjelenik az ún Meissner-effektus, amikor a mágneses tér a térfogatából teljesen kifelé tolódik el, ami természetesen ellentmond a feltételezett ideális, azaz nulla ellenállású közönséges vezetéshez kapcsolódó hatások klasszikus leírásának.
Az 1986 és 1993 közötti időszakban számos magas hőmérsékletű szupravezetőt fedeztek fel, vagyis olyanokat, amelyek már nem olyan alacsony hőmérsékleten mennek szupravezető állapotba, mint a folyékony hélium forráspontja (4,2 K), hanem a forrásponton. A folyékony nitrogén (77 K) pontja 18-szor magasabb, ami laboratóriumi körülmények között sokkal könnyebben és olcsóbban érhető el, mint héliummal.
Fokozott érdeklődés a gyakorlati alkalmazás iránt szupravezetés Az 1950-es években kezdődött, amikor a II. típusú szupravezetők nagy áramsűrűségükkel és mágneses indukciójukkal fényesen megjelentek a horizonton. Aztán egyre nagyobb gyakorlati jelentőségre tettek szert.
Az elektromágneses indukció törvénye azt mondja, hogy az elektromos áram körül mindig van mágneses mező... És mivel a szupravezetők ellenállás nélkül vezetik az áramot, elegendő az ilyen anyagokat egyszerűen a megfelelő hőmérsékleten tartani, és így alkatrészeket szerezni az ideális elektromágnesek létrehozásához.
Például az orvosi diagnosztikában a mágneses rezonancia képalkotási technológia magában foglalja a nagy teljesítményű szupravezető elektromágnesek használatát a tomográfokban. Nélkülük az orvosok nem tudnának ilyen lenyűgöző, nagy felbontású képeket készíteni az emberi test belső szöveteiről anélkül, hogy szikét használnának.
Nagy jelentőséget kaptak az olyan szupravezető ötvözetek, mint a nióbium-titán és a nióbium-ón intermetallikus anyagok, amelyekből műszakilag könnyen lehet stabil vékony szupravezető szálakat és sodrott huzalokat előállítani.
A tudósok már régóta létrehoztak nagy hűtőkapacitású cseppfolyósítókat és hűtőszekrényeket (a folyékony hélium hőmérsékleti szintjén), ők járultak hozzá a szupravezető technológia kifejlesztéséhez a Szovjetunióban. Már akkor, az 1980-as években nagy elektromágneses rendszereket építettek.
Elindult a világ első kísérleti létesítménye, a T-7, amely egy fúziós reakció beindításának lehetőségét hivatott tanulmányozni, ahol szupravezető tekercsekre van szükség a toroid mágneses tér létrehozásához.A nagy részecskegyorsítókban szupravezető tekercseket is használnak a folyékony hidrogén buborékkamráiban.
Turbinagenerátorokat fejlesztenek és hoznak létre (a múlt század 80-as éveiben szupererős KGT-20 és KGT-1000 turbinagenerátorokat hoztak létre szupravezetők alapján), elektromos motorokat, kábeleket, mágneses szeparátorokat, szállítórendszereket stb.
Áramlásmérők, szintmérők, barométerek, hőmérők – a szupravezetők nagyszerűek ezekhez a precíziós műszerekhez A szupravezetők ipari alkalmazásának fő területe továbbra is két: a mágneses rendszerek és az elektromos gépek.
Mivel a szupravezető nem engedi át a mágneses fluxust, ez azt jelenti, hogy egy ilyen típusú termék árnyékolja a mágneses sugárzást. A szupravezetők ezt a tulajdonságát a precíziós mikrohullámú készülékekben használják, valamint a nukleáris robbanás olyan veszélyes károsító tényezői ellen, mint az erős elektromágneses sugárzás.
Ennek eredményeként az alacsony hőmérsékletű szupravezetők továbbra is nélkülözhetetlenek mágnesek létrehozásához kutatóberendezésekben, például részecskegyorsítókban és fúziós reaktorokban.
A Japánban manapság aktívan használt mágneses levitációs vonatok már 600 km/h sebességgel képesek mozogni, és régóta bizonyítják megvalósíthatóságukat és hatékonyságukat.
A szupravezetők elektromos ellenállásának hiánya gazdaságosabbá teszi az elektromos energia átvitelét. Például egy föld alá fektetett szupravezető vékony kábel elvileg olyan energiát tud továbbítani, amelyhez vastag vezetékköteg – egy nehézkes vezeték – szükséges a hagyományos módon történő átvitelhez.
Jelenleg csak a nitrogén rendszeren keresztüli folyamatos szivattyúzásának szükségességével kapcsolatos költségek és karbantartási kérdések maradnak relevánsak. 2008-ban azonban az American Superconductor sikeresen elindította az első kereskedelmi szupravezető távvezetéket New Yorkban.
Ezen kívül létezik olyan ipari akkumulátor technológia, amely ma lehetővé teszi az energia felhalmozódását és tárolását (felhalmozását) folyamatos keringő áram formájában.
A szupravezetők és a félvezetők kombinálásával a tudósok ultragyors kvantumszámítógépeket hoznak létre, amelyek a számítástechnika új generációját mutatják be a világnak.
A szupravezető állapotban lévő anyag átmeneti hőmérsékletének a mágneses tér nagyságától való függésének jelensége a szabályozott ellenállások - kriotronok - alapja.
Jelenleg természetesen jelentős előrelépésről beszélhetünk a magas hőmérsékletű szupravezetők beszerzése felé tett előrelépések tekintetében.
Például az YBa2Cu3Ox fémkerámia kompozíció a nitrogén cseppfolyósítási hőmérséklete feletti hőmérsékleten szupravezető állapotba kerül!
A legtöbb ilyen megoldás azonban annak a ténynek köszönhető, hogy a kapott minták törékenyek és instabilok; ezért a fent említett nióbiumötvözetek továbbra is relevánsak a technológiában.
A szupravezetők lehetővé teszik fotondetektorok létrehozását. Egyesek Andreev-reflexiót használnak, mások a Josephson-effektust, a kritikus áram jelenlétének tényét stb.
Olyan detektorokat építettek, amelyek egyetlen fotonokat rögzítenek az infravörös tartományból, amelyek számos előnnyel rendelkeznek az egyéb rögzítési elveken alapuló detektorokkal szemben, mint például a fotoelektromos szorzók stb.
Memóriacellák hozhatók létre a szupravezetőkben lévő örvények alapján. Néhány mágneses szolitont már hasonló módon használnak. A kétdimenziós és háromdimenziós mágneses szolitonok hasonlóak a folyadékban lévő örvényekhez, ahol az áramvonalak szerepét a tartomány-illesztési vonalak játsszák.
A tintahal miniatűr gyűrű alapú szupravezető eszközök, amelyek a mágneses fluxus változása és az elektromos feszültség közötti összefüggésen alapulnak. Az ilyen mikroeszközök a Föld mágneses mezejének mérésére alkalmas, rendkívül érzékeny magnetométerekben, valamint a beolvasott szervek magnetogramjának készítésére szolgáló orvosi berendezésekben működnek.