Що таке надпровідність?

Надпровідність – це класна частина фізики, яка використовується в багатьох факторах нашого життя. Якби вченим вдалося відкрити надпровідник кімнатної температури та тиску, це зробило б революцію в технології. На жаль, це виявилося дуже складним завданням і може бути неможливим взагалі.

Що таке надпровідність?

Електричний провідник - це матеріал, який може проводити електричний струм. Кожен матеріал має власний електричний опір, який є мірою його протидії протіканню електричного струму. Матеріал з високим опором є поганим провідником і навпаки.

Надпровідність - це фізичне явище, коли матеріал має нульовий електричний опір. У такому стані є ряд цікавих і корисних ефектів. Надпровідник, який не має опору, означає, що через нього можна пропускати електричний струм без втрати енергії чи його нагрівання. Це може забезпечити ідеально ефективну передачу та зберігання енергії.

Надпровідники також можуть створювати надзвичайно потужні магніти, приклади цього можна знайти в апаратах МРТ і в прискорювачах частинок. Експерименти показали, що електричні струми в цих магнітах можуть зберігатися роками без будь-якого вимірного зниження сили. Дослідження показують, що течія буде стабільною протягом щонайменше 100 000 років, причому деякі оцінки передбачають, що течія зможе існувати довше, ніж очікуваний час життя Всесвіту.

При розміщенні над магнітом надпровідники утворюють однакове магнітне поле, яке відштовхує магніт. Це дозволяє надпровідникам ідеально левітувати над або під магнітом або навіть вздовж магнітної доріжки.

Вимоги до надпровідності

Матеріал починає надпровідний лише нижче певної температури, коли його електричний опір раптово падає до нуля. На жаль, усі відомі надпровідники стають надпровідними лише при надзвичайно низьких температурах. «Високотемпературний» надпровідник визначається як матеріал, який поводиться як надпровідник вище температури рідкого азоту (73K або -200°C). Точна температура, при якій електричний опір матеріалу падає до нуля, називається «критичною температурою».

Порада: особливо холодні елементи фізики зазвичай вимірюються в Кельвінах (К). Один Кельвін еквівалентний одному градусу Цельсія, але шкала Кельвіна починається з абсолютного нуля, або -273,15°C.

Найвищий температурний надпровідник, відкритий станом на 2020 рік, — це Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, який має критичну температуру 138K або -135°C при одній атмосфері тиску.

Температура є не єдиним важливим фактором надпровідності, тиск також відіграє роль у ряді надпровідників. Сірководень (H2S) має критичну температуру всього 203K (-70°C), а декагідрид лантану (LAH10) має критичну температуру 250K (-23°C). На жаль, ці матеріали повинні перебувати під неймовірно високим тиском, щоб стати надпровідними: H2S потребує 986 923 атмосфер тиску, а LaH10 — 1 677 770 атмосфер.

Порада: Тиск на цій шкалі зазвичай вимірюється в ГПа або Гігапаскалях з числами 100 ГПа і 170 ГПа відповідно. Щоб зробити це значення більш зрозумілим, його було перетворено в атмосфери. Одна атмосфера тиску - це середній тиск повітря на рівні моря на Землі. Для порівняння, тиск у найглибшій точці океанів Землі, глибині Челленджера в Маріанській западині, становить 1071 атмосферу на 10994 метри нижче рівня моря.

Потенційне майбутнє використання надпровідників кімнатної температури

Термін «надпровідник кімнатної температури» використовується для позначення потенційних майбутніх матеріалів, які демонструють надпровідність при температурах вище 273 К або 0 °C. Щоб стати особливо корисними в реальному світі, ці матеріали також повинні бути надпровідними при тиску в одній атмосфері або поблизу неї.

Надпровідник кімнатної температури допоміг би зменшити світові енергетичні проблеми, майже виключивши електричну енергію, втрачену під час передачі на великі відстані по лініях електропередач. Вони також дозволять створити швидші комп’ютери та пристрої пам’яті разом із більш чутливими науковими датчиками. Стало б набагато дешевше використовувати надсильні магніти, які використовуються в таких пристроях, як прискорювачі частинок, апарати МРТ, прототипи термоядерних реакторів і потяги на маглеву, оскільки магнітам не потрібен рідкий азот для охолодження надпровідника, достатнього для роботи.