Какво е свръхпроводимост?

Свръхпроводимостта е страхотна част от физиката, която има приложения в много фактори от нашия живот. Ако учените успеят да открият свръхпроводник за стайна температура и налягане, това ще направи революция в технологията. За съжаление, това се оказа много трудна задача и може да не е възможно изобщо.

Какво е свръхпроводимост?

Електрически проводник е материал, който може да провежда електричество. Всеки материал има свое собствено електрическо съпротивление, което е мярка за неговото противопоставяне на потока на електрически ток. Материал с високо съпротивление е лош проводник и обратно.

Свръхпроводимостта е физичен феномен, при който материалът има нулево електрическо съпротивление. В това състояние има редица интересни и полезни ефекти. Свръхпроводник без съпротивление означава, че електрически ток може да бъде пропуснат през него, без изобщо да се губи енергия или да се нагрява. Това може да позволи перфектно ефективно предаване и съхранение на енергия.

Свръхпроводниците могат също да създават изключително мощни магнити, примери за това могат да бъдат намерени в ЯМР машини и в ускорителите на частици. Експериментите показват, че електрическите токове в тези магнити могат да продължат с години без никакво измеримо намаляване на силата. Изследванията показват, че течението ще бъде стабилно в продължение на най-малко 100 000 години, като някои оценки предвиждат, че течението ще може да продължи по-дълго от очакваното време на живот на Вселената.

Когато се поставят върху магнит, свръхпроводниците образуват еднакво магнитно поле, което отблъсква магнита. Това позволява на свръхпроводниците да левитират идеално над или под магнит или дори по протежение на пътека от магнити.

Изисквания за свръхпроводимост

Материалът започва да е свръхпроводим само под определена температура, при което електрическото му съпротивление внезапно пада до нула. За съжаление, всички известни свръхпроводници стават свръхпроводими само при изключително ниски температури. „Високотемпературният“ свръхпроводник се дефинира като материал, който се държи като свръхпроводник над температурата на течния азот (73K или -200°C). Точната температура, при която електрическото съпротивление на материала пада до нула, се нарича „Критична температура“.

Съвет: Особено студените елементи на физиката обикновено се измерват в Келвин (K). Един Келвин е еквивалентен на един градус по Целзий, но скалата на Келвин започва от абсолютна нула или -273,15°C.

Най-високотемпературният свръхпроводник, открит към 2020 г., е Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, който има критична температура от 138K или -135°C при една атмосфера на налягане.

Температурата не е единственият важен фактор за свръхпроводимостта, налягането също играе роля в редица свръхпроводници. Сероводородът (H2S) има критична температура от само 203K (-70°C), а лантановият декахидрид (LAH10) има критична температура от 250K (-23°C). За съжаление, тези материали трябва да бъдат при невероятно високо налягане, за да станат свръхпроводими, като H2S се нуждае от 986 923 атмосфери налягане, а LaH10 се нуждае от 1 677 770 атмосфери.

Съвет: Налягането в тази скала обикновено се измерва в GPa или Giga-pascals, като числата са съответно 100 GPa и 170 GPa. За да направи тази стойност по-разбираема, тя е преобразувана в атмосфери. Една атмосфера на налягане е средното атмосферно налягане на морското равнище на Земята. За сравнение, налягането в най-дълбоката точка на океаните на Земята, Challenger Deep в Марианската падина, е 1071 атмосфери на 10 994 метра под морското равнище.

Потенциални бъдещи приложения за свръхпроводници при стайна температура

Терминът „свръхпроводник при стайна температура“ се използва за обозначаване на потенциални бъдещи материали, които проявяват свръхпроводимост при температури над 273K или 0°C. За да станат особено полезни в реалния свят, тези материали също трябва да бъдат свръхпроводими при или близо до една атмосфера на налягане.

Свръхпроводник със стайна температура би помогнал за намаляване на световните енергийни проблеми, като почти елиминира електрическата енергия, загубена по време на предаване на дълги разстояния по електропроводи. Те също така биха позволили по-бързи компютри и устройства за съхранение на памет, заедно с по-чувствителни научни сензори. Би станало много по-евтино да се управляват супер силните магнити, използвани в устройства като ускорители на частици, ЯМР машини, прототипи на реактори за ядрен синтез и магнитни влакове, тъй като магнитите няма да изискват течен азот, за да охладят свръхпроводника достатъчно, за да работят.