מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה

בתחילה, למוליכי-העל היה יישום מוגבל מאוד, מכיוון שטמפרטורת ההפעלה שלהם לא צריכה לעלות על 20K (-253 מעלות צלזיוס). לדוגמה, הטמפרטורה של הליום נוזלי ב -4.2 K (-268.8 מעלות צלזיוס) מתאימה למוליך העל לעבוד, אך דרוש אנרגיה רבה כדי לקרר ולשמור על טמפרטורה נמוכה כל כך, שהיא טכנית מאוד בעייתית.

מוליכי העל בטמפרטורה גבוהה שהתגלו בשנת 1986 על ידי קארל מולר וג'ורג 'בדנורטס הראו טמפרטורה קריטית גבוהה בהרבה, והטמפרטורה של חנקן נוזלי בטמפרטורה של 75K (-198 מעלות צלזיוס) למוליכים כאלה מספיקה למדי להפעלה. בנוסף, חנקן זול בהרבה מהליום כחומר קירור.

התגלית בשנת 1987 של "קפיצה במוליכות לכמעט אפס" בטמפרטורה של 36K (-237 מעלות צלזיוס) עבור תרכובות של לנתן, סטרונציום, נחושת וחמצן (La - Sr - Cu - O) הייתה ההתחלה. לאחר מכן, התגלה לראשונה המאפיין של תרכובות yttrium, barium, נחושת וחמצן (Y-Ba-Cu-O) כדי להציג תכונות מוליכות-על בטמפרטורה של 77.4 K (-195.6 ° C) מעל נקודת הרתיחה של חנקן נוזלי.

בשנת 2003 התגלה המתחם הקרמי Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), שיש לו טמפרטורה קריטית של 138 K (-135 מעלות צלזיוס) ומגיע ל 166 K (-107 ° C) בלחץ של 400 kbar; ובשנת 2015 נקבע שיא חדש עבור מימן גופרתי (H2S), שהפך למוליך-על בלחץ של 100 GPa, בטמפרטורה שלא תעלה על 203K (-70 מעלות צלזיוס).

מוליכות העל כתופעה פיזיקלית, תחילה ברמה המיקרוסקופית, הוסברה בעבודתם של הפיזיקאים האמריקנים ג'ון ברדין, לאון קופר וג'ון שריפר בשנת 1957. התיאוריה שלהם התבססה על מושג הזוגות האלקטרונים של קופר, והתיאוריה עצמה נקראה תורת ה- BCS, על פי האותיות הראשונות בשמות מחבריה, ועד היום התיאוריה המקרוסקופית של מוליכי-העל דומיננטית.

על פי תיאוריה זו, מצבי האלקטרונים של זוגות קופר מתואמים עם ספינים ומומנטים מנוגדים. במקביל, התיאוריה השתמשה בטרנספורמציות כביכול של ניקולאי בוגוליובוב, שהראו כי מוליכות-על יכולה להיחשב כתהליך של חדירות של גז אלקטרונים.

בסמוך למשטח פרמי, ניתן למשוך בצורה יעילה אלקטרונים על ידי אינטראקציה זה עם זה באמצעות פונונים, ורק אותם אלקטרונים נמשכים שהאנרגיה שלהם שונה מאנרגיית האלקטרונים על פני פרמי על ידי לא יותר מ- hVd (כאן Vd הוא תדר Debye), ושאר האלקטרונים אינם מתקשרים זה בזה.

אינטראקציה בין אלקטרונים ומשתלבים לזוגות קופר. לזוגות אלה יש כמה תכונות האופייניות לבוזונים, ובוזונים יכולים לעבור למצב קוונטי יחיד לאחר הקירור. לפיכך, בשל תכונה זו, זוגות יכולים לנוע מבלי להתנגש עם הסריג או האלקטרונים האחרים, כלומר, זוגות קופר נעים ללא הפסד אנרגיה.

בפועל, מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה מספקים העברת כוח נטולת אובדן, מה שהופך את הצגתם ושימושם בעתיד ליעילים ויעילים. כבלי חשמל, שנאים, מכונות חשמליות, אחסון אנרגיה אינדוקטיבית עם אורך מדף בלתי מוגבל, מגבילי זרם וכו '- מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה חלים בכל מקום בהנדסת חשמל.

הממדים יופחתו, ההפסדים יופחתו, יעילות הייצור, ההולכה וההפצה של אנרגיה חשמלית בכללותה תגבר. רובוטריקים יהיו פחות משקל והפסדים נמוכים מאוד, בהשוואה לשנאים עם פיתולים קונבנציונליים. שנאים מוליכים-על יהיו ידידותיים לסביבה, הם לא יצטרכו להתקרר, ובמקרה של עומס יתר, הזרם יהיה מוגבל.

מגבלות זרם מוליכות-על הן פחות אינרציאליות. כשאתה מדליק מכשירי אחסון אנרגיה וגנרטורים מוליכים-על ברשתות חשמל, יציבותם תגבר. אספקת חשמל של מגירות תיעשה באמצעות כבלים תת-מוליכים-מוליכים שיכולים להוביל עד פי 5 יותר זרם, והנחת כבלים כאלה תחסוך משמעותית אזורים עירוניים, מכיוון שהכבלים יהיו קומפקטיים יותר בהשוואה לאלה המשמשים כיום.

החישובים מראים כי, למשל, בניית קו חשמל בגודל 1 וולט במתח של 154 קילוואט, אם משתמשים בכבלים מוליכים-על, תעלה 38% יותר זולה מאשר אם הייתה מיושמת בטכנולוגיה סטנדרטית. וזה לוקח בחשבון את התכנון וההתקנה, מכיוון שמספר החוטים הנדרשים הוא פחות, בהתאמה, המספר הכולל של הכבלים פחות, והקוטר הפנימי של הצינורות הוא גם פחות.

ראוי לציין כי ניתן להעביר כוח משמעותי דרך כבל מוליך-על אפילו במתח נמוך, ומפחית זיהום אלקטרומגנטיוזה נכון לאזורים מאוכלסים בצפיפות, שם הנחת קווי מתח גבוה מעוררת דאגה, הן בקרב האקולוגים והן בקרב הציבור.

הכנסת מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה לתחום האנרגיה האלטרנטיבית מבטיחה גם היא, כאשר הרווחיות אינה בשום אופן גורם משני, והשימוש במוליכי-על כאן יגביר את היעילות של מקורות חדשים. יתר על כן, במשך 20 השנים הבאות יש נטייה קבועה להתפתחותם המהירה בעולם.