Was ist supraleitendes Material?
Apr 24, 2021
Wenn die Temperatur auf eine bestimmte kritische Temperatur abfällt, verschwindet der Widerstand einiger Materialien vollständig. Dieses Phänomen wird als Supraleitung bezeichnet, und Materialien mit diesem Phänomen werden als supraleitende Materialien bezeichnet. Ein weiteres Merkmal von Supraleitern ist, dass die magnetischen Induktionsleitungen nicht durch den Supraleiter verlaufen, wenn der Widerstand verschwindet. Dieses Phänomen nennt man Diamagnetismus.
Der spezifische Widerstand allgemeiner Metalle (wie Kupfer) nimmt mit abnehmender Temperatur allmählich ab. Wenn die Temperatur nahe bei 0 K liegt, erreicht ihr Widerstand einen bestimmten Wert. 1919 verwendete der niederländische Wissenschaftler Onnes flüssiges Helium, um Quecksilber abzukühlen. Als die Temperatur auf 4,2 K (dh -269 ° C) abfiel, stellte er fest, dass die Quecksilberbeständigkeit vollständig verschwand.
Supraleitung und Diamagnetismus sind zwei wichtige Eigenschaften von Supraleitern. Die Temperatur, bei der der Widerstand des Supraleiters Null ist, wird als kritische Temperatur (TC) bezeichnet. Das Problem bei der Erforschung supraleitender Materialien besteht darin, die&"Temperaturbarriere GG" zu durchbrechen, dh supraleitende Hochtemperaturmaterialien zu finden.
Praktische supraleitende Materialien, die durch NbTi und Nb3Sn dargestellt werden, wurden kommerzialisiert und in vielen Bereichen angewendet, wie z. B. Kernspinresonanz-Bildgebung beim Menschen (NMRI), supraleitende Magnete und große Beschleunigermagnete; SQUID wurde als Modell für Supraleiter-Schwachstromanwendungen verwendet. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Messung schwacher elektromagnetischer Signale, und seine Empfindlichkeit ist mit keinem anderen nicht supraleitenden Gerät erreichbar. Da jedoch die kritische Temperatur herkömmlicher Niedertemperatursupraleiter zu niedrig ist, müssen sie in teuren und komplizierten Flüssigheliumsystemen (4,2 K) verwendet werden, was die Entwicklung supraleitender Niedertemperaturanwendungen stark einschränkt.
Das Auftreten von Hochtemperaturoxid-Supraleitern hat die Temperaturbarriere durchbrochen und die Anwendungstemperatur der Supraleitung von flüssigem Helium (4,2 K) auf flüssigen Stickstoff (77 K) erhöht. Flüssiger Stickstoff ist im Vergleich zu flüssigem Helium ein sehr wirtschaftliches Kältemittel und hat eine höhere Wärmekapazität, was technischen Anwendungen großen Komfort bietet. Darüber hinaus weisen Hochtemperatursupraleiter sehr hohe magnetische Eigenschaften auf und können zur Erzeugung starker Magnetfelder über 20 T verwendet werden.
Die attraktivsten Anwendungen supraleitender Materialien sind Stromerzeugung, Energieübertragung und Energiespeicherung. Die Verwendung supraleitender Materialien zur Herstellung des Spulenmagneten eines supraleitenden Generators kann die Magnetfeldstärke des Generators auf 50.000 bis 60.000 Gauß erhöhen, und es gibt fast keinen Energieverlust. Im Vergleich zu herkömmlichen Generatoren wird die Einzelkapazität supraleitender Generatoren um das 5- bis 10-fache erhöht, der Wirkungsgrad der Stromerzeugung um 50%; Supraleitende Übertragungsleitungen und supraleitende Transformatoren können Strom nahezu verlustfrei an Benutzer übertragen. Laut Statistik befinden sich etwa 15% des Leistungsverlusts bei der Übertragung von Kupfer- oder Aluminiumdraht auf der Übertragungsleitung. In China beträgt der jährliche Stromausfall mehr als 100 Milliarden Grad. Wenn es auf supraleitende Kraftübertragung umgestellt wird, entspricht die eingesparte Energie den neuen Dutzenden von Großkraftwerken. Das Arbeitsprinzip supraleitender Magnetschwebebahnen besteht darin, die diamagnetischen Eigenschaften supraleitender Materialien zu nutzen, um supraleitende Materialien zu reduzieren. Das leitende Material befindet sich über dem Permanentmagneten (oder Magnetfeld). Aufgrund des Diamagnetismus des Supraleiters können die Magnetfeldlinien des Magneten nicht durch den Supraleiter verlaufen. Zwischen dem Magneten (oder Magnetfeld) und dem Supraleiter wird eine Abstoßungskraft erzeugt, die bewirkt, dass der Supraleiter darüber schwebt. Diese Art von Magnetschwebeeffekt kann verwendet werden, um supraleitende Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahnen herzustellen, wie z. B. die Hochgeschwindigkeitszüge am internationalen Flughafen Shanghai Pudong. Für supraleitende Computer erfordern Hochgeschwindigkeitscomputer eine dichte Anordnung von Komponenten und Verbindungsleitungen auf Chips mit integrierten Schaltkreisen, aber dicht angeordnete Schaltkreise. Während des Betriebs wird eine große Wärmemenge erzeugt. Wenn ein supraleitendes Material mit einem Widerstand nahe Null verwendet wird, um einen Verbindungsdraht oder eine supraleitende Vorrichtung mit ultramikroer Erwärmung herzustellen, gibt es kein Problem mit der Wärmeableitung und die Geschwindigkeit des Computers kann erheblich verbessert werden.
