Cos'è il materiale superconduttore

Quando la temperatura scende a una certa temperatura critica, la resistenza di alcuni materiali scompare completamente. Questo fenomeno è chiamato superconduttività e i materiali con questo fenomeno sono chiamati materiali superconduttori. Un'altra caratteristica dei superconduttori è che quando la resistenza scompare, le linee di induzione magnetica non passeranno attraverso il superconduttore. Questo fenomeno è chiamato diamagnetismo.

La resistività dei metalli generali (come il rame) diminuisce gradualmente con la diminuzione della temperatura. Quando la temperatura è prossima a 0K, la sua resistenza raggiunge un certo valore. Nel 1919, lo scienziato olandese Onnes usò l'elio liquido per raffreddare il mercurio. Quando la temperatura è scesa a 4,2 K (cioè -269 ° C), ha scoperto che la resistenza del mercurio è completamente scomparsa.

La superconduttività e il diamagnetismo sono due caratteristiche importanti dei superconduttori. La temperatura alla quale la resistenza del superconduttore è zero è chiamata temperatura critica (TC). Il problema nella ricerca di materiali superconduttori è quello di sfondare la barriera termica"", cioè trovare materiali superconduttori ad alta temperatura.

Pratici materiali superconduttori rappresentati da NbTi e Nb3Sn sono stati commercializzati e sono stati applicati in molti campi come la risonanza magnetica nucleare umana (NMRI), magneti superconduttori e grandi magneti acceleratori; SQUID è stato utilizzato come modello di applicazioni a corrente debole dei superconduttori. Svolge un ruolo importante nella misurazione di segnali elettromagnetici deboli e la sua sensibilità è irraggiungibile da qualsiasi altro dispositivo non superconduttore. Tuttavia, poiché la temperatura critica dei superconduttori convenzionali a bassa temperatura è troppo bassa, devono essere utilizzati in sistemi costosi e complicati di elio liquido (4.2K), il che limita fortemente lo sviluppo di applicazioni di superconduttori a bassa temperatura.

L'emergere di superconduttori di ossido ad alta temperatura ha sfondato la barriera termica e ha aumentato la temperatura di applicazione della superconduttività dall'elio liquido (4,2 K) all'azoto liquido (77 K). Rispetto all'elio liquido, l'azoto liquido è un refrigerante molto economico e ha una maggiore capacità termica, il che offre grande comodità alle applicazioni di ingegneria. Inoltre, i superconduttori ad alta temperatura hanno proprietà magnetiche molto elevate e possono essere utilizzati per generare forti campi magnetici superiori a 20T.

Le applicazioni più interessanti dei materiali superconduttori sono la generazione di energia, la trasmissione di potenza e lo stoccaggio di energia. L'uso di materiali superconduttori per creare la bobina magnetica di un generatore superconduttore può aumentare la forza del campo magnetico del generatore da 50.000 a 60.000 Gauss e non c'è quasi nessuna perdita di energia. Rispetto ai generatori convenzionali, la capacità singola dei generatori superconduttori è aumentata di 5 ~ 10 volte, l'efficienza della generazione di energia è aumentata del 50%; linee di trasmissione superconduttive e trasformatori superconduttori possono trasmettere energia agli utenti quasi senza perdite. Secondo le statistiche, circa il 15% della perdita di potenza nella trasmissione con filo di rame o alluminio è sulla linea di trasmissione. In Cina, la perdita di potenza annuale è di oltre 100 miliardi di gradi. Se si passa alla trasmissione di potenza superconduttrice, l'energia risparmiata è equivalente alle nuove dozzine di centrali elettriche di grandi dimensioni; il principio di funzionamento dei treni maglev superconduttori è quello di utilizzare le proprietà diamagnetiche dei materiali superconduttori per ridurre i materiali superconduttori. Il materiale conduttivo è posizionato sopra il magnete permanente (o campo magnetico). A causa del diamagnetismo del superconduttore, le linee del campo magnetico del magnete non possono passare attraverso il superconduttore. La forza repulsiva verrà generata tra il magnete (o campo magnetico) e il superconduttore, facendo levitare il superconduttore sopra di esso. Questo tipo di effetto di levitazione magnetica può essere utilizzato per realizzare treni a levitazione magnetica superconduttori ad alta velocità, come i treni ad alta velocità dell'aeroporto internazionale di Shanghai Pudong; per i computer superconduttori, i computer ad alta velocità richiedono una fitta disposizione di componenti e linee di collegamento su chip di circuiti integrati, ma circuiti densamente disposti. Durante il funzionamento viene generata una grande quantità di calore. Se si utilizza un materiale superconduttore con una resistenza prossima allo zero per realizzare un filo di collegamento o un dispositivo superconduttore con riscaldamento ultra-micro, non ci saranno problemi di dissipazione del calore e la velocità del computer potrà essere notevolmente migliorata.