Kas ir supravadītspēja?

Supravadītspēja ir forša fizikas daļa, kas tiek izmantota daudzos mūsu dzīves faktoros. Ja zinātnieki spētu atklāt telpas temperatūras un spiediena supravadītāju, tas radītu revolūciju tehnoloģijā. Diemžēl tas ir izrādījies ļoti grūts uzdevums, un tas var nebūt iespējams.

Kas ir supravadītspēja?

Elektrības vadītājs ir materiāls, kas spēj vadīt elektrību. Katram materiālam ir sava elektriskā pretestība, kas mēra tā pretestību elektriskās strāvas plūsmai. Materiāls ar augstu pretestību ir slikts vadītājs un otrādi.

Supravadītspēja ir fizikas parādība, kurā materiālam ir nulle elektriskā pretestība. Šajā stāvoklī ir vairāki interesanti un noderīgi efekti. Supravadītājs bez pretestības nozīmē, ka caur to var iziet elektrisko strāvu, nezaudējot enerģiju vai nesasildot to. Tas var nodrošināt perfekti efektīvu enerģijas pārvadi un uzglabāšanu.

Supravadītāji var radīt arī īpaši spēcīgus magnētus, un to piemērus var atrast MRI iekārtās un daļiņu paātrinātājos. Eksperimenti ir parādījuši, ka elektriskā strāva šajos magnētos var pastāvēt gadiem ilgi bez izmērāma stiprības samazināšanās. Pētījumi liecina, ka straume būtu stabila vismaz 100 000 gadu, un daži aprēķini liecina, ka straume spēs pastāvēt ilgāk par aplēsto Visuma kalpošanas laiku.

Novietojot virs magnēta, supravadītāji veido vienādu magnētisko lauku, kas atgrūž magnētu. Tas ļauj supravadītājiem perfekti levitēt virs vai zem magnēta vai pat gar magnētu sliežu ceļu.

Prasības supravadītspējai

Materiāls sāk supravadīt tikai zem noteiktas temperatūras, kur tā elektriskā pretestība pēkšņi nokrītas līdz nullei. Diemžēl visi zināmie supravadītāji kļūst par supravadītājiem tikai ārkārtīgi aukstā temperatūrā. “Augstas temperatūras” supravadītājs ir definēts kā materiāls, kas darbojas kā supravadītājs virs šķidrā slāpekļa temperatūras (73K vai -200°C). Precīzu temperatūru, kurā materiāla elektriskā pretestība nokrītas līdz nullei, sauc par “kritisko temperatūru”.

Padoms. Īpaši aukstos fizikas elementus parasti mēra Kelvinos (K). Viens Kelvins ir līdzvērtīgs vienam grādam pēc Celsija, bet Kelvina skala sākas no absolūtās nulles jeb -273,15°C.

2020. gadā atklātais augstākās temperatūras supravadītājs ir Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, kura kritiskā temperatūra ir 138K jeb -135°C pie vienas atmosfēras spiediena.

Temperatūra nav vienīgais svarīgais supravadītspējas faktors, spiedienam ir arī nozīme vairākos supravadītājos. Sērūdeņraža (H2S) kritiskā temperatūra ir tikai 203 K (-70 °C), bet lantāna dekahidrīdam (LAH10) ir 250 K (-23 °C). Diemžēl šiem materiāliem ir jābūt ar neticami augstu spiedienu, lai tie kļūtu par supravadītiem, jo ​​H2S ir nepieciešams 986 923 atmosfēras spiediens, bet LaH10 - 1 677 770 atmosfēras.

Padoms. Spiediens šajā skalā parasti tiek mērīts GPa vai Giga-paskālos ar skaitļiem attiecīgi 100 GPa un 170 GPa. Lai palīdzētu padarīt šo vērtību saprotamāku, tā ir pārveidota par atmosfēru. Viena spiediena atmosfēra ir vidējais gaisa spiediens jūras līmenī uz Zemes. Salīdzinājumam, spiediens Zemes okeānu dziļākajā punktā, Challenger Deep Marianas tranšejā, ir 1071 atmosfēra 10 994 metrus zem jūras līmeņa.

Iespējamie turpmākie izmantošanas veidi istabas temperatūras supravadītājiem

Termins “istabas temperatūras supravadītājs” tiek lietots, lai apzīmētu potenciālos nākotnes materiālus, kuriem ir supravadītspēja temperatūrā virs 273 K vai 0 °C. Lai šie materiāli kļūtu īpaši noderīgi reālajā pasaulē, tiem jābūt arī supravadošiem vienā atmosfērā vai tuvu spiedienam.

Istabas temperatūras supravadītājs palīdzētu samazināt pasaules enerģētikas problēmas, gandrīz novēršot elektroenerģiju, kas zaudēta tālsatiksmes pārraides laikā pa elektrolīnijām. Tie nodrošinātu arī ātrākus datorus un atmiņas atmiņas ierīces, kā arī jutīgākus zinātniskos sensorus. Būtu daudz lētāk darbināt īpaši spēcīgus magnētus, ko izmanto tādās ierīcēs kā daļiņu paātrinātāji, MRI iekārtas, kodolsintēzes reaktoru prototipi un maglev vilcieni, jo magnētiem nebūtu nepieciešams šķidrais slāpeklis, lai supravadītāja darbībai pietiekami atdzesētu.