O que é material supercondutor

Quando a temperatura cai para uma determinada temperatura crítica, a resistência de alguns materiais desaparece completamente. Esse fenômeno é chamado de supercondutividade, e os materiais com esse fenômeno são chamados de materiais supercondutores. Outra característica dos supercondutores é que, quando a resistência desaparece, as linhas de indução magnética não passam pelo supercondutor. Este fenômeno é denominado diamagnetismo.

A resistividade de metais gerais (como o cobre) diminui gradualmente com a diminuição da temperatura. Quando a temperatura está próxima de 0K, sua resistência atinge um determinado valor. Em 1919, o cientista holandês Onnes usou hélio líquido para resfriar o mercúrio. Quando a temperatura caiu para 4,2 K (ou seja, -269 ° C), ele descobriu que a resistência do mercúrio desapareceu completamente.

Supercondutividade e diamagnetismo são duas características importantes dos supercondutores. A temperatura na qual a resistência do supercondutor é zero é chamada de temperatura crítica (TC). O problema na pesquisa de materiais supercondutores é romper a barreira&de temperatura GG, isto é, encontrar materiais supercondutores de alta temperatura.

Materiais supercondutores práticos representados por NbTi e Nb3Sn foram comercializados e aplicados em muitos campos, como imagem humana por ressonância magnética nuclear (NMRI), ímãs supercondutores e grandes ímãs aceleradores; SQUID tem sido usado como um modelo de aplicações supercondutoras de correntes fracas. Ele desempenha um papel importante na medição de sinais eletromagnéticos fracos e sua sensibilidade é inatingível por qualquer outro dispositivo não supercondutor. No entanto, como a temperatura crítica dos supercondutores convencionais de baixa temperatura é muito baixa, eles devem ser usados ​​em sistemas caros e complicados de hélio líquido (4,2 K), o que limita severamente o desenvolvimento de aplicações de supercondutores de baixa temperatura.

O surgimento de supercondutores de óxido de alta temperatura rompeu a barreira de temperatura e aumentou a temperatura de aplicação da supercondutividade de hélio líquido (4,2 K) para nitrogênio líquido (77 K). Comparado com o hélio líquido, o nitrogênio líquido é um refrigerante muito econômico e tem uma capacidade de calor mais alta, o que traz grande comodidade para aplicações de engenharia. Além disso, supercondutores de alta temperatura têm propriedades magnéticas muito altas e podem ser usados ​​para gerar campos magnéticos fortes acima de 20T.

As aplicações mais atraentes de materiais supercondutores são geração de energia, transmissão de energia e armazenamento de energia. O uso de materiais supercondutores para fazer o ímã da bobina de um gerador supercondutor pode aumentar a intensidade do campo magnético do gerador para 50.000 a 60.000 Gauss, e quase não há perda de energia. Comparado com geradores convencionais, a capacidade única de geradores supercondutores é aumentada em 5 ~ 10 vezes, a eficiência de geração de energia é aumentada em 50%; linhas de transmissão supercondutoras e transformadores supercondutores podem transmitir energia aos usuários quase sem perdas. De acordo com as estatísticas, cerca de 15% da perda de energia na transmissão por fio de cobre ou alumínio ocorre na linha de transmissão. Na China, a perda de energia anual é de mais de 100 bilhões de graus. Se for alterado para transmissão de energia supercondutora, a energia economizada é equivalente às novas dezenas de usinas de grande escala; o princípio de funcionamento dos trens supercondutores maglev é usar as propriedades diamagnéticas dos materiais supercondutores para reduzir os materiais supercondutores. O material condutor é colocado acima do ímã permanente (ou campo magnético). Devido ao diamagnetismo do supercondutor, as linhas do campo magnético do ímã não podem passar pelo supercondutor. A força repulsiva será gerada entre o ímã (ou campo magnético) e o supercondutor, fazendo com que o supercondutor levite acima dele. Este tipo de efeito de levitação magnética pode ser usado para fazer trens de levitação magnética supercondutores de alta velocidade, como os trens de alta velocidade no Aeroporto Internacional de Shanghai Pudong; para computadores supercondutores, os computadores de alta velocidade requerem um arranjo denso de componentes e linhas de conexão em chips de circuito integrado, mas circuitos densamente arranjados. Uma grande quantidade de calor é gerada durante a operação. Se um material supercondutor com uma resistência próxima de zero for usado para fazer um fio de conexão ou um dispositivo supercondutor com aquecimento ultra-micro, não haverá problema de dissipação de calor e a velocidade do computador pode ser bastante melhorada.