Teave

Ülijuhtivus: mis see on ja miks see meie tulevikule korda läheb

Ülijuhtivus: mis see on ja miks see meie tulevikule korda läheb

2019. aasta jaanuaris teatas CERN, et on lõpule viimas Future Circular Collideri (FCC) plaanid, et asendada ligi 100 kilomeetri pikkune suur hadroni kollider, mida juhivad magnetid, mis kasutavad ülijuhtivuse jõudu. FCC, mis on võimeline kiirendama osakesi kuni valguse kiiruse lähedale, et neid kokku purustada, on potentsiaal saada "Higgsi-bosoni tehaseks". Kuid mis on ülijuhtidest, mis muudavad nad nii võimsaks?

Vastus peitub ülijuhtivuse - ainulaadse materjaliomaduse - uskumatul omadusel, mis võib muuta elektriülekannet, transporti ja füüsikat selliseks, nagu me seda tunneme.

Mis on ülijuhtivus?

Ülijuhtivus on selgelt oluline, mis see siis on?

Alustuseks peame mõistma, kuidas elektrivool materjali läbib ja millist rolli takistus selles protsessis mängib.

Elektrivoolu saamiseks peab teil olema negatiivselt laetud materjal, suhteliselt positiivse laenguga materjal ja juht, mis viib elektronid negatiivselt laetud materjalist positiivse laenguga.

VAATA KA: FÜÜSIKAD MAAILMAST ÜLES UUED SUPERJUHTIDE AVASTAMISED

See protsess pole aga täiuslik. Mitte iga materjal läbib neid elektrone nii lihtsalt kui järgmine ja isegi kõige juhtivamates metallides, nagu vask, pakub materjal voolutakistust. See takistus tähendab, et kogu vool ei saa materjali läbida ja vool kaotab osa energiast soojuse kujul.

See energiakadu pole tingimata halb, kuna just see soojusenergia annab meile elektrivalgustid ja muud kaasaegsed tehnoloogiad, kuid kui edastate elektrit riigi ühest osast teise, on see energiakadu uskumatult ebaefektiivne.

Teine küsimus on see, et vool nõrgeneb aja jooksul, läbides vastupidavat materjali, kui see aeglaselt soojusenergiana ära kasutatakse. See tähendab, et on olemas piir, kui kaugele elektrivool võib liikuda, enne kui see täielikult hajub.

See muudab ülijuhtivuse nii eriliseks. Ülijuhtivus on see, kui materjal lakkab elektrivoolule vastu panemast ja laseb sellel vabalt läbi minna, ilma et see näiliselt näeks energiakadu.

Materjali ülijuhtivasse seisundisse viimiseks tuleb materjal külmutada äärmiselt madalale temperatuurile, mõnikord ainult mõne kraadi absoluutsest nullist kõrgemale (-459,67 Fahrenheiti kraadi, -273,15 kraadi Celsiuse järgi). Siis põhjustel, mida me siiani ei oska seletada, lakkab elektritakistus järsult ja elektrivool võib vooluahelas jätkuda näiliselt igavesti.

See pole ainus ülijuhtivuse eksootiline omadus. Paljud ülijuhtivas olekus olevad materjalid võivad magnetvälja kustutada, mis viib ülijuhi kohal magnetite „hõljumiseni“.

Kuidas avastasime midagi sellist nagu ülijuht?

Nagu paljud suured teaduslikud avastused, avastati ülijuhtivus täiesti juhuslikult.

8. aprillil 1911 uuris Hollandi füüsik Heike Kamerlingh Onnes Leideni ülikoolist tahke elavhõbeda omadusi, kui ta juhtus kummalise nähtuse otsa.

Võttes vedelat heeliumi ja kasutades seda tahke elavhõbeda mähise temperatuuri langetamiseks vaid 4,2 kraadini (-452,11 kraadi Fahrenheiti, -268,95 kraadi Celsiuse järgi), nägi Onnes, et elektritakistus kadus ootamatult ja elektrivoolu tugevus spiraal ei hajunud.

Hiljem katsetas Onnes seda protsessi pliiga ja leidis, et ka see lakkas elektrivoolule vastu panemast, seekord 7 kraadi Kelvini juures. Ta nimetas äsja avastatud vara ülijuhtivuseks ja pälvis oma töö eest 1913. aastal Nobeli preemia.

Järgmine suur hüpe tuli 1933. aastal, kui Saksa teadlased Walther Meissner ja Robert Ochsenfeld leidsid, et ülijuhtivas olekus olev materjal tõrjub magnetvälja. Juhi kohal läbiv magnet tekitab elektrivoolu, mis teeb elektrigeneraatorid võimalikuks.

Ülijuhis peegeldab magneti tekitatud vool täpselt magneti tekitatud välja, mis tõrjub magneti. See sunnib magneti õhus hõljuma, mida tänapäeval tuntakse Meissneri efektina.

Teadlased teevad avastusi ka järgmise paarikümne aasta jooksul, kuid ülijuhtivuse järgmine suurem samm saabus siis, kui Alex Müller ja Georg Bednorz IBMi uurimislaborist Šveitsis Rüschlikonis lõid keraamilise materjali, mis oli ülijuhtiv 30 Kelvini kraadi juures.

See puudutas aktiivsust, kuna teadlased ei pidanud keraamikat ülijuhtivaks materjaliks - keraamika on tavaliselt isolaator -, mis viis lõpuks Alabama-Huntsville'i ülikooli uurimisrühma arenduseni keraamika, mis oli ülijuhtiv 92 Kelvini kraadi juures ( -294 kraadi Fahrenheiti, -181,15 kraadi Celsiuse järgi), soojem kui vedel lämmastik, mis on laialt saadaval.

Kuidas kasutatakse ülijuhte?

Uurime veel ülijuhtide praktilisi rakendusi, kuid need on maailmas juba kasutusele võetud.

Peale konkreetsete tööstuslike kasutusalade on ülijuhtide kõige laialdasemalt kasutatav MRT-aparaat, mida tavaliselt leidub haiglates. Ainult ülijuhtiv süsteem võib lubada, et magnetresonantstomograafiat toova magnetvälja genereerimiseks vajalik energia võib olla ökonoomne - see võib olla vahemikus 2500 kuni 10 000 korda suurem kui Maa magnetvälja tugevus.

Lisaks MRT-aparaadile on ülijuhtivate materjalide kõige tuntum kasutamine osakeste kiirendites, nagu näiteks CERNi suurte hadronite kollektoris (LHC) või selle kavandatud Future Circular Collideris.

Kui MRI-seade kõlab võimsalt, on LHC absoluutne metsaline.

Triljonite osakeste saatmine umbes 27 km tunnelite ulatuses kiirusega, mis on lähedane valguskiirusele, osakeste kiiruse stabiilsena hoidmine ja täpse tee liikumine nõuab tohutu võimsusega magnetvälja, mis on üle 100 000 korra suurem Maa magnetväljast. See nõuab tohutult energiat, sellist, mida ülijuhtivad mähised suudavad pakkuda.

Ülijuhtivuse tulevik

Ülijuhtivate materjalide kohta pole palju teada ja arendame iga päev uusi ülijuhtide rakendusi.

Lootus on ühel päeval kasutada jõuülekandes ülijuhtivust, mis vähendaks dramaatiliselt energiakulusid kogu maailmas. Mag-lev rongid, mis kasutavad ülijuhtivust, et hõljuda rongivagun rööpa kohal, kõrvaldades seeläbi hõõrdumise, mis võib rongi aeglustada, võib olla transpordi tulevik.

Kes teab? Võib-olla on meil ühel päeval elektroonika, mis kasutab ülijuhte, et anda meile nutitelefonid, mida tuleb laadida ainult üks kord kuus või rohkem.

See on kellegi arvamus, kuid tänu meie tehnoloogia kiirele arengule näeme me kõik oma elus ülijuhtivust tõenäoliselt varem kui hiljem tavapärase funktsioonina.


Vaata videot: Earn $1, With This NEW App! PROOF Make Money Online. Branson Tay (Juuni 2021).