Сверхпроводимость - это крутая часть физики, которая используется во многих факторах нашей жизни. Если бы ученые смогли открыть сверхпроводник при комнатной температуре и давлении, это произвело бы революцию в технологии. К сожалению, это оказалось очень сложной задачей и, возможно, вообще невозможно.
Что такое сверхпроводимость?
Электрический проводник - это материал, который может проводить электричество. Каждый материал имеет собственное электрическое сопротивление, которое является мерой его сопротивления течению электрического тока. Материал с высоким сопротивлением - плохой проводник, и наоборот.
Сверхпроводимость - это физическое явление, при котором материал имеет нулевое электрическое сопротивление. В этом состоянии наблюдается ряд интересных и полезных эффектов. Сверхпроводник, не имеющий сопротивления, означает, что электрический ток может проходить через него, не теряя энергии и не нагревая его. Это может обеспечить совершенно эффективную передачу и хранение энергии.
Сверхпроводники также могут создавать исключительно мощные магниты, примеры этого можно найти в аппаратах МРТ и ускорителях частиц. Эксперименты показали, что электрические токи в этих магнитах могут сохраняться годами без какого-либо заметного уменьшения силы. Исследования показывают, что течение будет стабильным в течение как минимум 100000 лет, по некоторым оценкам предсказывая, что ток может сохраняться дольше, чем предполагаемый срок службы Вселенная.
При размещении над магнитом сверхпроводники образуют одинаковое магнитное поле, которое отталкивает магнит. Это позволяет сверхпроводникам идеально левитировать над или под магнитом или даже вдоль магнитной дорожки.
Требования сверхпроводимости
Материал начинает сверхпроводить только при температуре ниже определенной, когда его электрическое сопротивление внезапно падает до нуля. К сожалению, все известные сверхпроводники становятся сверхпроводящими только при очень низких температурах. «Высокотемпературный» сверхпроводник определяется как материал, который ведет себя как сверхпроводник при температуре выше жидкого азота (73 К или -200 ° C). Точная температура, при которой электрическое сопротивление материала падает до нуля, называется «критической температурой».
Совет: особенно холодные элементы физики обычно измеряются в Кельвинах (K). Один Кельвин эквивалентен одному градусу Цельсия, но шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, или -273,15 ° C.
Самый высокотемпературный сверхпроводник, обнаруженный по состоянию на 2020 год, - это Hg.12Tl3Ба30Ca30Cu45О127 который имеет критическую температуру 138K или -135 ° C при давлении в одну атмосферу.
Температура - не единственный важный фактор в сверхпроводимости, давление также играет роль в ряде сверхпроводников. Сероводород (H2S) имеет критическую температуру всего 203 К (-70 ° C), а декагидрид лантана (LAH10) имеет критическую температуру 250K (-23 ° C). К сожалению, эти материалы должны находиться под невероятно высоким давлением, чтобы стать сверхпроводящими, при этом H2S требует 986923 атмосферы давления и LaH10 требуется 1,677,770 атмосфер.
Совет: Давление на этой шкале обычно измеряется в ГПа или гигапаскалях с числами, равными 100 и 170 ГПа соответственно. Чтобы сделать это значение более понятным, оно преобразовано в атмосферы. Давление в одну атмосферу - это среднее атмосферное давление на уровне моря на Земле. Для сравнения: давление в самой глубокой точке Мирового океана, Челленджере в Марианской впадине, составляет 1071 атмосферу на высоте 10 994 метра ниже уровня моря.
Возможные варианты использования сверхпроводников при комнатной температуре в будущем
Термин «сверхпроводник при комнатной температуре» используется для обозначения потенциальных будущих материалов, которые будут демонстрировать сверхпроводимость при температурах выше 273K или 0 ° C. Чтобы стать особенно полезными в реальном мире, эти материалы также должны быть сверхпроводящими при давлении в одну атмосферу или около него.
Сверхпроводник при комнатной температуре поможет уменьшить мировые энергетические проблемы, почти исключив потерю электроэнергии при передаче на большие расстояния по линиям электропередач. Они также позволят использовать более быстрые компьютеры и запоминающие устройства, а также более чувствительные научные датчики. Стало бы намного дешевле использовать сверхсильные магниты, используемые в таких устройствах, как ускорители частиц, аппараты МРТ, прототипы. ядерные термоядерные реакторы и поезда на магнитной подвеске, поскольку магнитам не потребуется жидкий азот для охлаждения сверхпроводника, достаточного для Работа.