もし…高温超伝導体ができたらどうなるでしょうか? 希望の束縛
無損失送電線、低温電気工学、超電磁石、最後に熱核融合炉内の数百万度のプラズマを穏やかに圧縮する、静かで高速なリニアモーターカーレール。 私たちは超伝導体に大きな期待を抱いています...
超電導 電気抵抗がゼロの物質状態を呼びます。 これは、一部の材料では非常に低い温度で達成されます。 彼はこの量子現象を発見しました キャマーリング・オンズ (1) 1911 年に水銀で。古典物理学ではこれを説明できません。 ゼロ抵抗に加えて、超電導体のもう XNUMX つの重要な特徴は次のとおりです。 磁場をその体積から押し出すいわゆるマイスナー効果 (I 型超伝導体)、または磁場の「渦」への集中 (II 型超伝導体)。
ほとんどの超電導体は絶対零度に近い温度でのみ機能します。 0 ケルビン (-273,15 °C) であると報告されています。 原子の動き この温度ではほとんど存在しません。 これが超伝導体の鍵です。 いつものように 電子 導体中を動く他の振動原子と衝突し、 エネルギー損失と抵抗。 しかし、より高温では超伝導が可能であることがわかっています。 徐々に、摂氏マイナスより低い温度でもこの効果を示す材料が発見され始めており、最近では摂氏プラスでもこの効果を示します。 ただし、これも通常、非常に高い圧力の適用に関連しています。 最大の夢は、巨大な圧力をかけずに室温でこの技術を開発することです。
超伝導状態の出現の物理的根拠は次のとおりです。 カーゴグラバーのペアの形成 - いわゆる クーパー。 このようなペアは、同様のエネルギーを持つ XNUMX つの電子が結合した結果として発生することがあります。 フェルミエネルギー、つまりたとえそれらの間の相互作用のエネルギーが非常に小さい場合でも、もう XNUMX つの元素を追加した後にフェルミオン系のエネルギーが増加する最小のエネルギー。 単一キャリアはフェルミ粒子であり、ペアはボソンであるため、これにより材料の電気的特性が変化します。
協力する したがって、これはフォノンと呼ばれる結晶格子の振動を通じて相互作用する XNUMX つのフェルミオン (電子など) の系です。 現象が説明されています レオナが協力する 1956 年に発見され、低温超伝導の BCS 理論の一部です。 クーパー対を構成するフェルミオンはハーフスピン (反対方向を向いている) を持っていますが、その結果として生じる系のスピンはフルスピンです。つまり、クーパー対はボソンです。
特定の温度における超電導体は、カドミウム、スズ、アルミニウム、イリジウム、白金などの一部の元素であり、その他の元素は非常に高い圧力 (酸素、リン、硫黄、ゲルマニウム、リチウムなど) または高圧下でのみ超電導状態になります。薄層の形態（タングステン、ベリリウム、クロム）、銀、銅、金、希ガス、水素など、まだ超伝導になっていないものもありますが、金、銀、銅は室温で最も優れた伝導体の一つです。
「高温」でも非常に低い温度が必要です
1964年に ウィリアム・A・リトル 高温超伝導が存在する可能性を示唆した。 有機ポリマー。 この提案は、BCS 理論におけるフォノン媒介ペアリングとは対照的に、励起子媒介電子ペアリングに基づいています。 「高温超伝導体」という用語は、Johannes G. Bednorz と C.A. によって発見されたペロブスカイト セラミックの新しいファミリーを表すために使用されています。 1986 年にミュラー氏がノーベル賞を受賞しました。 これらの新しいセラミック超電導体 (2) は、ランタン、バリウム、ビスマスなどの他の元素と混合された銅と酸素から作られました。
2. 強力な磁石の上に浮かぶセラミックプレート
私たちの観点から見ると、「高温」超伝導はまだ非常に低いものでした。 常圧では-140℃が限界であり、そのような超電導体であっても「高温」と呼ばれていました。 硫化水素の超伝導温度は、超高圧で-70℃に達します。 しかし、高温超伝導体は冷却に不可欠な液体ヘリウムではなく、比較的安価な液体窒素を必要とします。
一方で、ほとんどが脆いセラミックであり、電気システムでの使用にはあまり実用的ではありません。
科学者たちは今でも、次のような基準を満たす素晴らしい新素材の発見を待っている、より良い選択肢があると信じています。 室温での超伝導手頃な価格で実用的に使えます。 いくつかの研究は、銅と酸素原子の層を含む複雑な結晶である銅に焦点を当てています。 水に浸した黒鉛が室温で超伝導体として機能する可能性があるという、異常だが科学的に説明がつかない報告について研究が続けられている。
近年、高温超電導の分野ではまさに「革命」、「躍進」、「新たな章」が続いています。 2020年15月、室温（XNUMX℃）での超伝導が報告されました。 二硫化炭素水素化物 ただし、(3) は緑色レーザーによって生成される非常に高い圧力 (267 GPa) で行われます。 室温常圧で超電導となる比較的安価な物質である聖杯はまだ見つかっていない。
3. 15℃で超電導となる炭素系材料。
磁気時代の幕開け
高温超伝導体の考えられる用途を列挙すると、エレクトロニクスおよびコンピューター技術、論理デバイス、記憶素子、スイッチおよび接続、発電機、増幅器、粒子加速器から始めることができます。 リストの次は、磁場、電圧、電流を測定するための高感度デバイス、磁石 MRI医療機器、磁気エネルギー貯蔵装置、浮上式新幹線、エンジン、発電機、変圧器、送電線など。 これらの夢の超電導デバイスの主な利点は、低消費電力、高速動作、および 極端な感度.
超電導体用。 発電所が交通量の多い都市の近くに建設されることが多いのには理由があります。 30パーセントでもね。 彼らによって作成された 電気エネルギー 伝送路上で失われる可能性があります。 これは電化製品によくある問題です。 エネルギーのほとんどは熱に使われます。 したがって、コンピューターの表面のかなりの部分が、回路によって発生する熱の放散を助ける冷却部品に当てられます。
超伝導体は熱のエネルギー損失の問題を解決します。 たとえば、科学者は実験の一環として、なんとか生計を立てています。 超電導リング内の電流 XNUMX年以上。 そしてこれには追加のエネルギーは必要ありません。
電流が止まった唯一の理由は、液体ヘリウムにアクセスできなかったからであり、電流が流れ続けられなかったからではありません。 私たちの実験により、超電導物質中の電流は、それ以上ではないにしても、数十万年にわたって流れることができると確信するようになりました。 超伝導体の電流は永遠に流れ、エネルギーを無料で伝達します。
в 抵抗がない 超電導線には巨大な電流が流れ、信じられないほど強力な磁場が発生する可能性があります。 これらはリニアモーターカー (4) の浮上に使用できます。リニアモーターカーはすでに最高時速 600 km の速度に達しており、 超電導磁石。 あるいは、磁場中でタービンを回転させて発電する従来の方法を置き換えて、発電所に使用することもできます。 強力な超電導磁石は核融合反応の制御に役立つ可能性がある。 超電導線はバッテリーではなく理想的なエネルギー貯蔵装置として機能し、システム内の可能性は千年、百万年にわたって保存されます。
量子コンピューターでは、超伝導体内を時計回りまたは反時計回りに流すことができます。 船舶や自動車のエンジンは現在の XNUMX 倍小さくなり、高価な医療診断用 MRI 装置は手のひらに収まるでしょう。 世界中の広大な砂漠の農場から収集された太陽エネルギーは、損失なく貯蔵および転送できます。
4. 日本のリニアモーターカー
物理学者であり科学の普及者として有名な彼は次のように述べています。 カク超電導などの技術が新たな時代を迎えます。 もし私たちがまだ電気の時代に生きていたとしたら、室温の超伝導体は磁気の時代をもたらすでしょう。
