ارتفاع درجة الحرارة الموصلية الفائقة

في البداية ، كان للموصلات الفائقة تطبيق محدود للغاية ، حيث يجب ألا تتجاوز درجة حرارة التشغيل 20K (-253 درجة مئوية). على سبيل المثال ، تكون درجة حرارة الهيليوم السائل عند 4.2 كلفن (-268.8 درجة مئوية) مناسبة تمامًا للموصل الفائق للعمل ، لكن الأمر يتطلب الكثير من الطاقة لتبريد هذه درجة حرارة منخفضة والحفاظ عليها ، الأمر الذي يمثل مشكلة فنية للغاية.

أظهرت الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية التي اكتشفها كارل مولر وجورج بيدنوريتس عام 1986 درجة حرارة حرجة أعلى من ذلك بكثير ، ودرجة حرارة النيتروجين السائل عند 75 كيلو (-198 درجة مئوية) لمثل هذه الموصلات كافية للتشغيل. بالإضافة إلى ذلك ، النيتروجين أرخص بكثير من الهليوم كمبرد.

كان اكتشاف "قفزة في الموصلية إلى ما يقرب من الصفر" في عام 1987 عند درجة حرارة 36K (-237 درجة مئوية) لمركبات اللانثانوم والسترونتيوم والنحاس والأكسجين (La - Sr - Cu - O) هي البداية. ثم ، تم اكتشاف خاصية الإيتريوم والباريوم والنحاس والأكسجين (Y - Ba - Cu - O) لإظهار خصائص الموصلات الفائقة عند درجة حرارة 77.4 كلفن (-195.6 درجة مئوية) فوق نقطة غليان النيتروجين السائل.

في عام 2003 ، تم اكتشاف مركب السيراميك Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) ، والذي يحتوي على درجة حرارة حرجة تبلغ 138 كلفن (-135 درجة مئوية) ويصل إلى 166 كلفن (-107 درجة مئوية) تحت ضغط 400 كيلوبيلتر ؛ وفي عام 2015 ، تم تسجيل رقم قياسي جديد لكبريتيد الهيدروجين (H2S) ، الذي أصبح موصلًا فائقًا بضغط 100 GPa ، عند درجة حرارة لا تتجاوز 203K (-70 درجة مئوية).

تم شرح الموصلية الفائقة كظاهرة فيزيائية ، أولاً على المستوى المجهري ، في عمل الفيزيائيين الأمريكيين جون باردين وليون كوبر وجون شيفر في عام 1957. استندت نظريتهم على مفهوم ما يسمى أزواج الإلكترون كوبر ، والنظرية نفسها كانت تسمى نظرية BCS ، وفقا للحروف الأولى من أسماء مؤلفيها ، وحتى يومنا هذا هذه النظرية المجهرية للموصلات الفائقة هي المهيمنة.

وفقًا لهذه النظرية ، ترتبط حالات الإلكترون لأزواج كوبر مع تدور وقوة معاكسة. في الوقت نفسه ، استخدمت النظرية التحولات المزعومة لنيكولاي بوغوليوبوف ، الذي أظهر أنه يمكن اعتبار الموصلية الفائقة كعملية للسوائل الفائقة لغاز الإلكترون.

بالقرب من سطح فيرمي ، يمكن جذب الإلكترونات بفاعلية عن طريق التفاعل مع بعضها البعض عبر الفونونات ، ولا يتم جذبها إلا تلك الإلكترونات التي تختلف طاقتها عن طاقة الإلكترون الموجودة على سطح فيرمي بأكثر من hVd (هنا Vd هو تردد ديبي) ، ولا تتفاعل بقية الإلكترونات.

تفاعل الإلكترونات ودمجها في أزواج كوبر. تمتلك هذه الأزواج بعض الخصائص المميزة للبوزونات ، ويمكن للبوزونات الانتقال إلى حالة كمومية واحدة عند التبريد. وبالتالي ، نظرًا لهذه الميزة ، يمكن للأزواج أن تتحرك دون تصادم مع أي من الشبكات أو غيرها من الإلكترونات ، أي أزواج Cooper تتحرك دون فقد الطاقة.

في الممارسة العملية ، توفر الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية نقلًا للطاقة بدون خسائر ، مما يجعل إدخالها واستخدامها في المستقبل مفيدًا وفعالًا. الكابلات الكهربائية ، المحولات ، الآلات الكهربائية ، تخزين الطاقة الاستقرائي مع مدة صلاحية غير محدودة ، محددات التيار ، إلخ. - الموصلات الفائقة عالية الحرارة قابلة للتطبيق في كل مكان في الهندسة الكهربائية.

سيتم تقليل الأبعاد ، وسيتم تقليل الخسائر ، وزيادة كفاءة الإنتاج ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية ككل. محولات سيكون أقل وزنا وخسارة منخفضة جدا ، مقارنة مع المحولات مع اللفات التقليدية. ستكون المحولات فائقة التوصيل صديقة للبيئة ، ولن تحتاج إلى تبريد ، وفي حالة التحميل الزائد ، سيكون التيار محدودًا.

محددات التيار الفائق هي أقل بالقصور الذاتي. عندما تقوم بتشغيل أجهزة تخزين الطاقة والمولدات فائقة التوصيل في الشبكات الكهربائية ، فإن استقرارها سيزداد. سيتم تنفيذ إمدادات الطاقة من المدن الكبرى عن طريق توصيل كبلات فائقة التوصيل تحت الأرض يمكنها أن تصل إلى أكثر من 5 أضعاف التيار ، وسيوفر مد هذه الكبلات المناطق الحضرية بشكل كبير ، لأن الكابلات ستكون أكثر إحكاما مقارنة بتلك المستخدمة اليوم.

تبين الحسابات ، على سبيل المثال ، أن بناء خط كهرباء بقدرة 1 جيجا وات عند جهد قدره 154 كيلو فولت ، إذا تم استخدام كابلات فائقة التوصيل ، سيكلف 38٪ أرخص مما لو تم تنفيذه باستخدام تقنية قياسية. وهذا يأخذ في الاعتبار التصميم والتركيب ، لأن عدد الخيوط المطلوبة أقل ، على التوالي ، العدد الإجمالي للكابلات أقل ، والقطر الداخلي للقنوات أقل أيضًا.

من الجدير بالذكر أنه يمكن نقل طاقة كبيرة عبر كابل فائق التوصيل حتى في الجهد المنخفض ، مما يقلل التلوث الكهرومغناطيسيوهذا صحيح بالنسبة للمناطق المكتظة بالسكان ، حيث يثير وضع خطوط الجهد العالي القلق ، سواء بين علماء البيئة والجمهور.

يعد إدخال الموصلات الفائقة عالية الحرارة في مجال الطاقة البديلة واعداً أيضًا ، حيث لا تعد الربحية عاملاً ثانويًا على الإطلاق ، وسيؤدي استخدام الموصلات الفائقة هنا إلى زيادة كفاءة المصادر الجديدة. علاوة على ذلك ، على مدار العشرين عامًا القادمة ، هناك ميل ثابت نحو تطورهم السريع في العالم.