Què és el material superconductor

Quan la temperatura baixa a una temperatura crítica determinada, la resistència d’alguns materials desapareix completament. Aquest fenomen s’anomena superconductivitat i els materials amb aquest fenomen s’anomenen materials superconductors. Una altra característica dels superconductors és que quan la resistència desapareix, les línies d’inducció magnètica no passaran pel superconductor. Aquest fenomen s’anomena diamagnetisme.

La resistivitat dels metalls generals (com el coure) disminueix gradualment amb la disminució de la temperatura. Quan la temperatura s’acosta a 0 K, la seva resistència assoleix un valor determinat. El 1919, el científic holandès Onnes va utilitzar heli líquid per refredar el mercuri. Quan la temperatura va baixar a 4,2 K (és a dir -269 ° C), va trobar que la resistència del mercuri desapareixia completament.

La superconductivitat i el diamagnetisme són dues característiques importants dels superconductors. La temperatura a la qual la resistència del superconductor és nul·la s’anomena temperatura crítica (TC). El problema en la investigació de materials superconductors és trencar la&"barrera de temperatura GG", és a dir, trobar materials superconductors a alta temperatura.

Els materials superconductors pràctics representats per NbTi i Nb3Sn s’han comercialitzat i s’han aplicat en molts camps com la imatge humana per ressonància magnètica nuclear (RMN), els imants superconductors i els grans imants acceleradors; SQUID s'ha utilitzat com a model d'aplicacions de corrent feble del superconductor. Té un paper important en la mesura de senyals electromagnètics febles i la seva sensibilitat és inabastable per qualsevol altre dispositiu no superconductor. Tanmateix, com que la temperatura crítica dels superconductors convencionals de baixa temperatura és massa baixa, s’han d’utilitzar en sistemes costosos i complicats d’heli líquid (4.2K), cosa que limita greument el desenvolupament d’aplicacions superconductores a baixa temperatura.

L’aparició de superconductors d’òxid d’alta temperatura ha travessat la barrera de la temperatura i ha elevat la temperatura d’aplicació de la superconductivitat de heli líquid (4,2K) a nitrogen líquid (77K). En comparació amb l'heli líquid, el nitrogen líquid és un refrigerant molt econòmic i té una capacitat calorífica més elevada, cosa que aporta una gran comoditat a les aplicacions d'enginyeria. A més, els superconductors a alta temperatura tenen propietats magnètiques molt elevades i es poden utilitzar per generar camps magnètics forts superiors a 20T.

Les aplicacions més atractives dels materials superconductors són la generació d’energia, la transmissió d’energia i l’emmagatzematge d’energia. L’ús de materials superconductors per fer que l’imant de la bobina d’un generador superconductor pugui augmentar la intensitat del camp magnètic del generador a 50.000 a 60.000 Gauss i gairebé no hi ha pèrdues d’energia. En comparació amb els generadors convencionals, la capacitat única dels generadors superconductors s’incrementa de 5 a 10 vegades, l’eficiència de la generació d’energia augmenta un 50%; les línies de transmissió superconductores i els transformadors superconductors poden transmetre energia als usuaris gairebé sense pèrdua. Segons les estadístiques, al voltant del 15% de la pèrdua d’energia en la transmissió de filferro de coure o alumini es troba a la línia de transmissió. A la Xina, la pèrdua d’energia anual supera els 100.000 milions de graus. Si es canvia a transmissió d’energia superconductora, l’energia estalviat equival a les noves desenes de centrals a gran escala; el principi de funcionament dels trens maglev superconductors és utilitzar les propietats diamagnètiques dels materials superconductors per reduir els materials superconductors. El material conductor es col·loca sobre l’imant permanent (o camp magnètic). A causa del diamagnetisme del superconductor, les línies del camp magnètic de l’imant no poden passar pel superconductor. Es generarà una força de repulsió entre l’imant (o camp magnètic) i el superconductor, provocant que el superconductor leviti per sobre d’ell. Aquest tipus d'efecte de levitació magnètica es pot utilitzar per fer trens de levitació magnètica superconductors d'alta velocitat, com ara els trens d'alta velocitat de l'aeroport internacional de Shanghai Pudong; per a ordinadors superconductors, els ordinadors d'alta velocitat requereixen una disposició densa de components i línies de connexió en xips de circuits integrats, però circuits densament disposats Es genera una gran quantitat de calor durant el funcionament. Si s’utilitza un material superconductor amb una resistència propera a zero per fabricar un cable de connexió o un dispositiu superconductor amb calefacció ultra-micro, no hi haurà cap problema de dissipació de calor i es pot millorar molt la velocitat de l’ordinador.