מהו חומר מוליך-על

כאשר הטמפרטורה יורדת לטמפרטורה קריטית מסוימת, ההתנגדות של חומרים מסוימים נעלמת לחלוטין. תופעה זו נקראת מוליכות-על, וחומרים עם תופעה זו נקראים חומרים מוליכים-על. מאפיין נוסף של מוליכי על הוא שכאשר ההתנגדות נעלמת, קווי האינדוקציה המגנטית לא יעברו דרך מוליך העל. תופעה זו נקראת דיאמגנטיות.

ההתנגדות של מתכות כלליות (כגון נחושת) פוחתת בהדרגה עם ירידת הטמפרטורה. כאשר הטמפרטורה קרובה ל 0 K, ההתנגדות שלה מגיעה לערך מסוים. בשנת 1919, המדען ההולנדי Onnes השתמש בהליום נוזלי לקירור כספית. כשהטמפרטורה ירדה ל -4.2 K (כלומר -269 ° C), הוא גילה שהתנגדות הכספית נעלמה לחלוטין.

מוליכות-על ודיאמגנטיות הם שני מאפיינים חשובים של מוליכי-על. הטמפרטורה בה ההתנגדות של מוליך העל היא אפס נקראת הטמפרטורה הקריטית (TC). הבעיה במחקר של חומרים מוליכים-על היא לפרוץ את ה-" מחסום הטמפרטורה" ;, כלומר למצוא חומרים מוליכים-על בטמפרטורה גבוהה.

חומרים מוליכים-על מעשיים המיוצגים על ידי NbTi ו- Nb3Sn סוחרו, והוחלו בתחומים רבים כגון הדמיה אנושית של תהודה מגנטית גרעינית (NMRI), מגנטים מוליכים-על ומגנטים מאיצים גדולים; SQUID שימש כמודל של יישומי זרם חלש של מוליכים-על. זה ממלא תפקיד חשוב במדידת אותות אלקטרומגנטיים חלשים, ורגישותו אינה ניתנת להשגה על ידי כל מכשיר אחר שאינו מוליך-על. עם זאת, מכיוון שהטמפרטורה הקריטית של מוליכים על קונבנציונליים בטמפרטורה נמוכה נמוכה מדי, יש להשתמש בהם במערכות הליום נוזליות יקרות ומסובכות (4.2K), המגבילות מאוד את התפתחותם של יישומי מוליכות-על בטמפרטורה נמוכה.

הופעתם של מוליכי תחמוצת טמפרטורה גבוהה פרצה את מחסום הטמפרטורה והעלתה את טמפרטורת היישום של מוליכות-על מהליום נוזלי (4.2K) לחנקן נוזלי (77K). בהשוואה להליום נוזלי, חנקן נוזלי הוא קירור חסכוני מאוד ובעל קיבולת חום גבוהה יותר, מה שמביא נוחות רבה ליישומים הנדסיים. בנוסף, מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה הם בעלי תכונות מגנטיות גבוהות מאוד וניתן לייצר באמצעותם שדות מגנטיים חזקים מעל 20T.

היישומים האטרקטיביים ביותר של חומרים מוליכים-על הם ייצור חשמל, העברת חשמל ואחסון אנרגיה. שימוש בחומרים מוליכים-על ליצירת מגנט סליל של גנרטור מוליך-על יכול להגדיל את עוצמת השדה המגנטי של הגנרטור ל-50,000 עד 60,000 גאוס, ואין כמעט אובדן אנרגיה. בהשוואה לגנרטורים קונבנציונליים, הקיבולת היחידה של גנרטורים מוליכים-על גדלה פי 5 עד 10, יעילות ייצור החשמל גדלה ב -50%; קווי הולכה מוליכים-על ושנאים מוליכי-על יכולים להעביר כוח למשתמשים כמעט ללא הפסד. על פי הסטטיסטיקה, כ -15% מאובדן הכוח בהעברת חוטי נחושת או אלומיניום נמצא בקו ההולכה. בסין, אובדן הכוח השנתי הוא יותר ממאה מיליארד מעלות. אם הוא יועבר להעברת כוח מוליך-על, האנרגיה החוסכת שקולה לעשרות החדשות של תחנות כוח בקנה מידה גדול; עקרון העבודה של רכבות מגלב מוליכות-על הוא להשתמש בתכונות הדיאמגנטיות של חומרים מוליכים-על להפחתת חומרים מוליכים-על. החומר המוליך ממוקם מעל המגנט הקבוע (או השדה המגנטי). בשל הדיאמגנטיות של מוליך העל, קווי השדה המגנטיים של המגנט אינם יכולים לעבור דרך מוליך העל. כוח דחייה ייווצר בין המגנט (או השדה המגנטי) לבין מוליך העל ויגרום למוליך העל לרחף מעליו. סוג זה של אפקט ריחוף מגנטי יכול לשמש לייצור רכבות ריחוף מגנטיות מוליכות-על במהירות גבוהה, כגון הרכבות המהירות בשדה התעופה הבינלאומי פודונג בשנחאי; עבור מחשבים מוליכים-על, מחשבים במהירות גבוהה דורשים סידור צפוף של רכיבים וקווי חיבור על שבבי מעגלים משולבים, אך מעגלים מסודרים בצפיפות כמות גדולה של חום נוצרת במהלך הפעולה. אם משתמשים בחומר מוליך-על בעל התנגדות קרובה לאפס ליצירת חוט חיבור או מכשיר מוליך-על עם חימום אולטרה-מיקרו, לא תהיה בעיה בפיזור חום וניתן לשפר מאוד את מהירות המחשב.