Aplicação da supercondutividade em ciência e tecnologia

A supercondutividade é chamada de fenômeno quântico, que consiste no fato de que alguns materiais, quando sua temperatura é levada a um determinado valor crítico, começam a exibir resistência elétrica zero.

Hoje, os cientistas já conhecem várias centenas de elementos, ligas e cerâmicas capazes de se comportar dessa maneira. Um condutor que entrou em um estado supercondutor começa a mostrar o que é chamado efeito Meissner, quando o campo magnético de seu volume é completamente deslocado para fora, o que, obviamente, contradiz a descrição clássica dos efeitos associados à condução ordinária em condições de um ideal hipotético, ou seja, resistência zero.

No período de 1986 a 1993, foram descobertos vários supercondutores de alta temperatura, ou seja, aqueles que passam para um estado supercondutor não mais em temperaturas tão baixas quanto o ponto de ebulição do hélio líquido (4,2 K), mas na temperatura de ebulição ponto de nitrogênio líquido ( 77 K) — 18 vezes maior, o que em condições de laboratório pode ser alcançado muito mais fácil e barato do que com hélio.

Maior interesse na aplicação prática supercondutividade começou na década de 1950, quando os supercondutores do tipo II, com sua alta densidade de corrente e indução magnética, surgiram no horizonte. Então eles começaram a adquirir cada vez mais importância prática.

A lei da indução eletromagnética nos diz que em torno da corrente elétrica há sempre campo magnético... E como os supercondutores conduzem corrente sem resistência, basta simplesmente manter esses materiais nas temperaturas certas e assim obter peças para criar eletroímãs ideais.

Por exemplo, em diagnósticos médicos, a tecnologia de ressonância magnética envolve o uso de poderosos eletroímãs supercondutores em tomógrafos. Sem eles, os médicos não conseguiriam obter imagens tão impressionantes de alta resolução dos tecidos internos do corpo humano sem recorrer ao uso de um bisturi.

Ligas supercondutoras como os intermetálicos nióbio-titânio e nióbio-estanho ganharam grande importância, a partir das quais é tecnicamente fácil obter filamentos supercondutores finos e estáveis ​​e fios trançados.

Os cientistas há muito criaram liquefatores e refrigeradores com alta capacidade de resfriamento (no nível de temperatura do hélio líquido), foram eles que contribuíram para o desenvolvimento da tecnologia supercondutora na URSS. Mesmo assim, na década de 1980, grandes sistemas eletromagnéticos foram construídos.

Foi lançada a primeira instalação experimental do mundo, a T-7, projetada para estudar a possibilidade de iniciar uma reação de fusão, onde são necessárias bobinas supercondutoras para criar um campo magnético toroidal.Em grandes aceleradores de partículas, bobinas supercondutoras também são usadas em câmaras de bolhas de hidrogênio líquido.

Geradores de turbina são desenvolvidos e criados (nos anos 80 do século passado, geradores de turbina ultrapotentes KGT-20 e KGT-1000 foram criados com base em supercondutores), motores elétricos, cabos, separadores magnéticos, sistemas de transporte, etc.

Medidores de vazão, medidores de nível, barômetros, termômetros — supercondutores são ótimos para todos esses instrumentos de precisão.As principais áreas de aplicação industrial de supercondutores permanecem duas: sistemas magnéticos e máquinas elétricas.

Como o supercondutor não passa o fluxo magnético, isso significa que um produto desse tipo blinda a radiação magnética. Essa propriedade dos supercondutores é usada em dispositivos de micro-ondas de precisão, bem como para proteger contra um fator prejudicial tão perigoso de uma explosão nuclear quanto a poderosa radiação eletromagnética.

Como resultado, os supercondutores de baixa temperatura permanecem indispensáveis ​​para a criação de ímãs em equipamentos de pesquisa, como aceleradores de partículas e reatores de fusão.

Os trens de levitação magnética, que são usados ​​​​ativamente hoje no Japão, agora podem se mover a uma velocidade de 600 km / he há muito tempo provaram sua viabilidade e eficiência.

A ausência de resistência elétrica em supercondutores torna o processo de transferência de energia elétrica mais econômico. Por exemplo, um cabo fino supercondutor colocado no subsolo poderia, em princípio, transmitir energia que exigiria um grosso feixe de fios - uma linha pesada - para transmiti-la da maneira tradicional.

Atualmente, apenas os problemas de custo e manutenção associados à necessidade de bombear nitrogênio continuamente pelo sistema permanecem relevantes. No entanto, em 2008, a American Superconductor lançou com sucesso a primeira linha de transmissão supercondutora comercial em Nova York.

Além disso, existe a tecnologia de bateria industrial que permite hoje acumular e armazenar (acumular) energia na forma de corrente circulante contínua.

Ao combinar supercondutores com semicondutores, os cientistas estão criando computadores quânticos ultrarrápidos que apresentam ao mundo uma nova geração de tecnologia de computação.

O fenômeno da dependência da temperatura de transição de uma substância em um estado supercondutor da magnitude do campo magnético é a base dos resistores controlados - criotrons.

No momento, é claro, podemos falar de um progresso significativo em termos de progresso na obtenção de supercondutores de alta temperatura.

Por exemplo, a composição metal-cerâmica YBa2Cu3Ox entra em um estado supercondutor a uma temperatura acima da temperatura de liquefação do nitrogênio!

No entanto, a maioria dessas soluções se deve ao fato de as amostras obtidas serem frágeis e instáveis; portanto, as ligas de nióbio acima mencionadas ainda são relevantes em tecnologia.

Os supercondutores tornam possível criar detectores de fótons. Alguns deles usam a reflexão de Andreev, outros usam o efeito Josephson, o fato da presença de uma corrente crítica, etc.

Foram construídos detectores que registram fótons individuais da faixa do infravermelho, o que mostra uma série de vantagens sobre detectores baseados em outros princípios de registro, como multiplicadores fotoelétricos, etc.

Células de memória podem ser criadas com base em vórtices em supercondutores. Alguns sólitons magnéticos já são usados ​​de forma semelhante. Sólitons magnéticos bidimensionais e tridimensionais são semelhantes a vórtices em um líquido, onde o papel das linhas de corrente é desempenhado por linhas de alinhamento de domínio.

As lulas são dispositivos supercondutores baseados em anéis em miniatura que operam com base na relação entre as mudanças no fluxo magnético e na tensão elétrica. Esses microdispositivos funcionam em magnetômetros altamente sensíveis, capazes de medir o campo magnético da Terra, bem como em equipamentos médicos para obtenção de magnetogramas de órgãos escaneados.