Yüksek sıcaklık süper iletkenliği

Başlangıçta, süperiletkenlerin çok sınırlı bir uygulaması vardı, çünkü çalışma sıcaklıkları 20K'yı (-253 ° C) aşmamalıdır. Örneğin, sıvı helyumun sıcaklığı 4.2 K (-268.8 ° C), süperiletkenin çalışması için çok uygundur, ancak teknik olarak çok sorunlu olan bu kadar düşük bir sıcaklığı soğutmak ve korumak için çok fazla enerji gerekir.

1986'da Karl Müller ve Georg Bednorets tarafından keşfedilen yüksek sıcaklık süper iletkenleri kritik bir sıcaklığı çok daha yüksek gösterdi ve bu tür iletkenler için 75K (-198 ° C) 'de sıvı azot sıcaklığı, çalışma için oldukça yeterli. Ek olarak, azot bir soğutucu olarak helyumdan çok daha ucuzdur.

1987 yılında lantan, stronsiyum, bakır ve oksijen (La - Sr - Cu - O) bileşikleri için 36K (-237 ° C) sıcaklıkta "iletkenlikte neredeyse sıfıra sıçramanın" keşfi başlangıçtı. Daha sonra, sıvı azotun kaynama noktasının üzerinde 77.4 K (-195.6 ° C) bir sıcaklıkta süper iletken özellikler sergileyen itriyum, baryum, bakır ve oksijen (Y - Ba - Cu - O) bileşiklerinin özelliği ilk önce keşfedildi.

2003 yılında, kritik sıcaklığı 138 K (-135 ° C) olan ve 400 kbar basınçta 166 K (-107 ° C) değerine ulaşan Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) seramik bileşiği keşfedildi; ve 2015 yılında, 203K'yı (-70 ° C) aşmayan bir sıcaklıkta 100 GPa'lık bir basınçta süperiletken hale gelen hidrojen sülfür (H2S) için yeni bir rekor kırıldı.

Fiziksel bir fenomen olarak süperiletkenlik, ilk olarak mikroskopik düzeyde, 1957'de Amerikalı fizikçiler John Bardin, Leon Cooper ve John Shriffer'ın çalışmalarında açıklandı. Teorileri, Cooper elektron çiftleri kavramına dayanıyordu ve yazarlarının adlarının ilk harflerine göre teoriye BCS teorisi deniyordu ve bu güne kadar bu süper iletkenlerin makroskopik teorisi baskın.

Bu teoriye göre, Cooper çiftlerinin elektron durumları zıt spin ve momenta ile ilişkilidir. Aynı zamanda, teori, süperiletkenliğin bir elektron gazının aşırı akışkanlığı süreci olarak kabul edilebileceğini gösteren Nikolai Bogolyubov'un sözde dönüşümlerini kullandı.

Fermi yüzeyinin yakınında, elektronlar birbirleri ile fononlar aracılığıyla etkileşime girerek etkili bir şekilde çekilebilir ve sadece enerjisi Fermi yüzeyindeki elektron enerjisinden hVd'den fazla olmayan (burada Vd Debye frekansıdır) ve elektronların geri kalanı etkileşmez.

Etkileşen elektronlar ve Cooper çiftleri halinde birleştirin. Bu çiftler bozonların karakteristik özelliklerine sahiptir ve bozonlar soğuduktan sonra tek bir kuantum duruma geçebilir. Bu nedenle, bu özellik nedeniyle, çiftler kafes veya diğer elektronlarla çarpışmadan hareket edebilir, yani Cooper çiftleri enerji kaybı olmadan hareket eder.

Pratikte, yüksek sıcaklıklı süper iletkenler kayıpsız güç aktarımı sağlar, bu da gelecekteki tanıtım ve kullanımlarını faydalı ve verimli hale getirir. Güç kabloları, transformatörler, elektrikli makineler, sınırsız raf ömrüne sahip endüktif enerji depolama, akım sınırlayıcılar, vb. - yüksek sıcaklık süper iletkenleri elektrik mühendisliğinin her yerinde uygulanabilir.

Boyutlar azaltılacak, kayıplar azalacak, elektrik enerjisinin bir bütün olarak üretimi, iletimi ve dağıtımı artacaktır. transformatörler geleneksel sargılı transformatörlere kıyasla daha az ağırlık ve çok düşük kayıplara sahip olacaktır. Süper iletken transformatörler çevre dostu olacak, soğutulmaları gerekmeyecek ve aşırı yük durumunda akım sınırlı olacaktır.

Süperiletken akım sınırlayıcıları daha az ataletlidir. Elektrik şebekelerinde enerji depolama cihazlarını ve süper iletken jeneratörleri açtığınızda kararlılıkları artacaktır. Megakentlerin güç kaynağı, 5 kata kadar daha fazla akım iletebilen süper iletken yeraltı kabloları ile gerçekleştirilecek ve bu tür kabloların döşenmesi kentsel alanlarda önemli ölçüde tasarruf sağlayacaktır, çünkü kablolar bugün kullanılanlara göre daha kompakt olacaktır.

Hesaplamalar, örneğin, süper iletken kablolar kullanılıyorsa, 1 kW için 154 kV voltajda bir güç hattı inşa etmenin, standart teknoloji kullanılarak uygulandığından% 38 daha ucuza mal olacağını göstermektedir. Ve bu tasarım ve kurulumu dikkate alıyor, çünkü gerekli olan iplik sayısı sırasıyla daha az, toplam kablo sayısı daha az ve kanalların iç çapı da daha az.

Kayda değer bir gücün, düşük voltajda bile süper iletken bir kablodan iletilebileceği, elektromanyetik kirlilikve bu, yüksek voltaj hatlarının döşenmesinin hem ekologlar hem de halk arasında endişeye neden olduğu yoğun nüfuslu alanlar için geçerlidir.

Yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin alternatif enerji alanına girmesi de umut vericidir, burada karlılık hiçbir şekilde ikincil bir faktör değildir ve burada süper iletkenlerin kullanılması yeni kaynakların verimliliğini artıracaktır. Ayrıca, önümüzdeki 20 yıl boyunca, dünyadaki hızlı gelişmelerine karşı istikrarlı bir eğilim var.