Siêu dẫn nhiệt độ cao

Ban đầu, chất siêu dẫn có ứng dụng rất hạn chế, vì nhiệt độ hoạt động của chúng không được vượt quá 20K (-253 ° C). Ví dụ, nhiệt độ của helium lỏng ở mức 4.2 K (-268.8 ° C) rất phù hợp để chất siêu dẫn hoạt động, nhưng cần nhiều năng lượng để làm mát và duy trì nhiệt độ thấp như vậy, về mặt kỹ thuật rất có vấn đề.

Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện vào năm 1986 bởi Karl Müller và Georg Bednorets cho thấy nhiệt độ tới hạn cao hơn nhiều, và nhiệt độ của nitơ lỏng ở 75K (-198 ° C) cho các dây dẫn như vậy là khá đủ để hoạt động. Ngoài ra, nitơ rẻ hơn nhiều so với helium làm chất làm lạnh.

Phát hiện năm 1987 về một "bước nhảy trong độ dẫn gần như bằng không" ở nhiệt độ 36K (-237 ° C) đối với các hợp chất của lanthanum, strontium, đồng và oxy (La - Sr - Cu - O) là sự khởi đầu. Sau đó, tính chất của các hợp chất yttri, bari, đồng và oxy (Y - Ba - Cu - O) để thể hiện tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ 77,4 K (-195,6 ° C) trên điểm sôi của nitơ lỏng lần đầu tiên được phát hiện.

Năm 2003, hợp chất gốm Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) đã được phát hiện, có nhiệt độ tới hạn là 138 K (-135 ° C) và đạt 166 K (-107 ° C) ở áp suất 400 kbar; và vào năm 2015, một kỷ lục mới đã được thiết lập cho hydro sunfua (H2S), trở thành chất siêu dẫn ở áp suất 100 GPa, ở nhiệt độ không quá 203K (-70 ° C).

Hiện tượng siêu dẫn như một hiện tượng vật lý, lần đầu tiên ở cấp độ hiển vi, đã được giải thích trong công trình của các nhà vật lý người Mỹ John Bardin, Leon Cooper và John Shriffer vào năm 1957. Lý thuyết của họ dựa trên khái niệm về cặp điện tử Cooper, và lý thuyết này được gọi là lý thuyết BCS, theo các chữ cái đầu tiên của tên các tác giả của nó, và cho đến ngày nay, lý thuyết siêu dẫn về chất siêu dẫn này chiếm ưu thế.

Theo lý thuyết này, trạng thái electron của các cặp Cooper tương quan với các spin và mô đối diện. Đồng thời, lý thuyết này đã sử dụng các biến đổi được gọi là Nikolai Bogolyubov, người đã chỉ ra rằng tính siêu dẫn có thể được coi là một quá trình siêu lỏng của khí điện tử.

Gần bề mặt Fermi, các electron có thể bị thu hút một cách hiệu quả bằng cách tương tác với nhau thông qua các phonon và chỉ những electron đó bị thu hút có năng lượng khác với năng lượng electron trên bề mặt Fermi không nhiều hơn hVd (ở đây Vd là tần số Debye) và phần còn lại của các electron không tương tác.

Các electron tương tác và kết hợp thành cặp Cooper. Các cặp này có một số tính chất đặc trưng của boson và boson có thể chuyển sang trạng thái lượng tử duy nhất khi được làm mát. Do đó, do tính năng này, các cặp có thể di chuyển mà không va chạm với mạng tinh thể hoặc các electron khác, nghĩa là, cặp Cooper di chuyển mà không mất năng lượng.

Trong thực tế, các chất siêu dẫn nhiệt độ cao cung cấp truyền tải điện không tổn thất, giúp cho việc giới thiệu và sử dụng chúng trong tương lai hữu ích và hiệu quả. Dây cáp điện, máy biến thế, máy điện, lưu trữ năng lượng cảm ứng với thời hạn sử dụng không giới hạn, bộ hạn chế dòng điện, v.v. - chất siêu dẫn nhiệt độ cao được áp dụng ở mọi nơi trong kỹ thuật điện.

Kích thước sẽ giảm, tổn thất sẽ giảm, hiệu quả sản xuất, truyền tải và phân phối năng lượng điện nói chung sẽ tăng lên. Máy biến áp sẽ có trọng lượng ít hơn và tổn thất rất thấp, so với máy biến áp có cuộn dây thông thường. Máy biến áp siêu dẫn sẽ thân thiện với môi trường, chúng sẽ không cần được làm mát và trong trường hợp quá tải, dòng điện sẽ bị hạn chế.

Các bộ hạn chế hiện tại siêu dẫn là ít quán tính. Khi bạn bật các thiết bị lưu trữ năng lượng và máy phát siêu dẫn trong mạng điện, độ ổn định của chúng sẽ tăng lên. Việc cung cấp năng lượng cho các siêu đô thị sẽ được thực hiện bằng các loại cáp ngầm siêu dẫn có thể dẫn dòng điện cao gấp 5 lần và việc đặt các loại cáp như vậy sẽ tiết kiệm đáng kể các khu vực đô thị, vì cáp sẽ nhỏ gọn hơn so với các loại được sử dụng ngày nay.

Các tính toán cho thấy, ví dụ, xây dựng đường dây điện cho 1 GW ở điện áp 154 ​​kV, nếu sử dụng cáp siêu dẫn, sẽ có giá rẻ hơn 38% so với khi sử dụng công nghệ tiêu chuẩn. Và điều này có tính đến thiết kế và cài đặt, bởi vì số lượng luồng yêu cầu ít hơn, tương ứng, tổng số cáp ít hơn, và đường kính bên trong của ống dẫn cũng ít hơn.

Đáng chú ý là một năng lượng đáng kể có thể được truyền qua cáp siêu dẫn ngay cả ở điện áp thấp, làm giảm ô nhiễm điện từvà điều này đúng với các khu vực đông dân cư, nơi việc đặt các đường dây điện cao thế gây lo ngại, cả giữa các nhà sinh thái học và công chúng.

Việc đưa các chất siêu dẫn nhiệt độ cao vào lĩnh vực năng lượng thay thế cũng rất hứa hẹn, trong đó lợi nhuận không phải là yếu tố phụ và việc sử dụng chất siêu dẫn ở đây sẽ làm tăng hiệu quả của các nguồn mới. Hơn nữa, trong 20 năm tới, có một xu hướng ổn định đối với sự phát triển nhanh chóng của họ trên thế giới.