¿Qué hace la superconductividad?
Tren maglev superconductor; aprovechando las propiedades diamagnéticas de los materiales superconductores, el material superconductor se coloca encima de un imán permanente. Dado que las líneas del campo magnético del imán no pueden atravesar el superconductor, se genera una fuerza repulsiva. Se generará entre el imán y el superconductor, haciendo que el superconductor levite sobre el imán. Este efecto de levitación magnética se puede utilizar para crear trenes maglev superconductores de alta velocidad. Generador superconductor; en el campo de la electricidad, se pueden utilizar imanes de bobina superconductores para aumentar la intensidad del campo magnético del generador de 50.000 a 60.000 Gauss casi sin pérdida de energía. Este tipo de generador es un generador superconductor de CA. La capacidad de generación de energía de una sola máquina de los generadores superconductores es de 5 a 10 veces mayor que la de los generadores convencionales, alcanzando los 10.000 megavatios, mientras que el volumen se reduce a la mitad, el peso de toda la máquina se reduce a 1/3, y la eficiencia de generación de energía aumenta en un 50%.
¿Generador de fluido magnético?; El generador de fluido magnético también es inseparable de la ayuda de fuertes imanes superconductores. La generación de energía por fluido magnético utiliza gas conductor de alta temperatura (plasma) como conductor y pasa a través de un fuerte campo magnético con una intensidad de campo magnético de 50.000 a 60.000 Gauss a alta velocidad para generar electricidad. La estructura del generador de fluido magnético es muy simple y el gas conductor de alta temperatura utilizado para la generación de energía del fluido magnético se puede reutilizar.
Las líneas de transmisión superconductoras; los materiales superconductores también se pueden utilizar para fabricar cables superconductores y transformadores superconductores, transmitiendo así energía a los usuarios casi sin pérdidas. Según las estadísticas, cuando se utilizan conductores de cobre o aluminio para transmitir electricidad, alrededor del 15% de la energía eléctrica se pierde en la línea de transmisión. Sólo en China, la pérdida de energía anual alcanza más de 100 mil millones de kWh. Si pasamos a la transmisión de energía superconductora, la energía ahorrada equivaldrá a construir docenas de grandes centrales eléctricas.
Cuerpo cerrado magnético; reactor de fusión nuclear "cuerpo cerrado magnético" Durante la reacción de fusión nuclear, la temperatura interna alcanza entre 100 y 200 millones de grados Celsius y ningún material convencional puede contener estas sustancias. El fuerte campo magnético generado por los superconductores se puede utilizar como un "recinto magnético" para rodear y confinar el plasma de temperatura ultraalta en reactores termonucleares y luego liberarlo lentamente, haciendo de la energía de fusión nuclear controlada una nueva y prometedora fuente de energía en el siglo XXI. . Condensado de Fermi; los científicos han creado recientemente una nueva forma de materia y predicen que ayudará a la humanidad a fabricar la próxima generación de superconductores para diversos fines, como generar electricidad y mejorar la eficiencia de los trenes. Esta nueva forma de materia se llama condensado de Fermi y es la sexta forma de materia conocida. Las primeras cinco formas de materia son gas, sólido, líquido, plasma y el condensado de Bose-Einstein que se acaba de inventar en 1995. La principal diferencia entre fermiones y bosones se refleja en la propiedad mecánicocuántica del "espín". Los fermiones son partículas como los electrones, con espines semienteros (como 1/2, 3/2, 5/2, etc.), mientras que los bosones son partículas como los fotones, con espines enteros (como 0, 1, 2, etc.); .). Esta diferencia de espín confiere a los fermiones y bosones propiedades completamente diferentes. No hay dos fermiones que puedan tener el mismo estado cuántico: no tienen las mismas propiedades ni pueden estar en el mismo lugar al mismo tiempo, mientras que los bosones pueden tener las mismas propiedades; Por lo tanto, cuando los físicos enfriaron una cierta cantidad de átomos de rubidio y sodio para convertirlos en bosones en 1995, la mayoría de los átomos se convirtieron en el mismo estado cuántico de baja temperatura y en realidad se convirtieron en un único y enorme átomo general: el condensado de Bose-Einstein. Pero para fermiones como el potasio-40 o el litio-6, cada partícula debe tener propiedades ligeramente diferentes incluso a temperaturas muy bajas. En 2003, los físicos encontraron una manera de superar estos obstáculos. Convirtieron fermiones en bosones en pares, con dos espines semienteros formando un espín entero. Los fermiones actuaron como bosones y todo el gas se condensó repentinamente en un estado de condensado de Bose-Einstein. Los científicos de la Universidad de Innsbruck en Austria enfriaron átomos de litio-6 y al mismo tiempo aplicaron un campo magnético estable para obligar a los fermiones a unirse; el "Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio" en Colorado, EE. UU., utilizó técnicas ligeramente diferentes. utilizado Después de enfriar los átomos de potasio-40, se aplica un campo magnético. A través del cambio del campo magnético, cada átomo atrae fuertemente a los átomos cercanos, induciéndolos a formar pares de átomos y luego a condensarse en un condensado de Bose-Einstein. En 1962, Josephson, un estudiante de posgrado en física experimental de la Universidad de Cambridge que solo tenía 20 años, estudió las propiedades de la brecha de energía de los superconductores bajo la dirección del famoso científico Anderson. Propuso que en una unión superconductora, los pares de electrones pueden. pasan a través de la capa de óxido para formar una corriente superconductora sin obstáculos. Este fenómeno se llama efecto DC Josephson. Cuando el voltaje de CC externo es V, además de la corriente superconductora de CC, también hay una corriente de CA. Este fenómeno se llama efecto Josephson de CA. Coloque el superconductor en un campo magnético y el campo magnético penetra en la capa de óxido. En este momento, la corriente superconductora máxima de la unión superconductora cambia regularmente con el tamaño del campo magnético externo.
El importante descubrimiento de Josephson proporcionó evidencia del movimiento de pares de electrones en los superconductores y profundizó nuestra comprensión de la naturaleza de la superconductividad. El efecto Josephson se convirtió en la base para la detección de señales electromagnéticas débiles y otras aplicaciones electrónicas. En la década de 1970, los trenes superconductores realizaron con éxito pruebas de viabilidad tripuladas. Los trenes superconductores tienen potentes imanes superconductores instalados en el tren y una serie de bobinas de anillos metálicos colocadas en el suelo. Cuando el vehículo está en movimiento, los imanes del vehículo inducen polos magnéticos opuestos en las bobinas del suelo, lo que provoca que la fuerza repulsiva entre los dos levante el vehículo del suelo. El vehículo avanza sin fricción gracias a la tracción del motor y puede alcanzar velocidades de hasta 500 kilómetros por hora. El 12 de marzo de 1987, la Universidad de Pekín en China llevó a cabo con éxito un experimento de levitación magnética superconductora utilizando nitrógeno líquido. En 1987, el vehículo experimental de levitación magnética "MLU002" del Instituto Tecnológico de Ferrocarriles de Japón comenzó su operación de prueba. En marzo de 1991, la Compañía Industrial Eléctrica Sumitomo de Japón demostró el primer imán superconductor del mundo. En octubre de 1991, el Instituto de Investigación de Energía Atómica de Japón y Toshiba Corporation desarrollaron conjuntamente una nueva bobina superconductora para reactores de fusión nuclear. La densidad de corriente de la bobina alcanza los 40 amperios por milímetro cuadrado, más del triple que en el pasado, alcanzando el nivel más alto del mundo. El instituto amplió la bobina y la proporcionó para su uso en el Reactor Internacional de Fusión Termonuclear. El material superconductor utilizado en este nuevo imán es un compuesto de niobio y estaño. El 27 de enero de 1992, el primer barco superconductor "Yamato" 1 construido por la Japan Shipping and Marine Foundation fue botado en Kobe, Japón, para realizar pruebas en el mar. El barco superconductor genera un fuerte campo magnético a partir de los imanes superconductores del barco. Los electrodos positivos y negativos en ambos lados del barco hacen que la corriente en el agua fluya de un lado del barco al otro. el campo magnético y la corriente impulsan el barco hacia adelante a gran velocidad. Este tipo de barco superconductor de alta velocidad aún no ha entrado en la etapa práctica, pero los experimentos han demostrado que este tipo de barco puede desencadenar una revolución en la industria de la construcción naval, al igual que la invención de Fulton del barco de vapor que eventualmente reemplazó al velero. En 1992, se construyó y puso en funcionamiento en Texas, EE.UU., un equipo supercolisionador superconductor a gran escala basado en imanes superconductores gigantes, a un coste de más de 8.200 millones de dólares estadounidenses. En 1996, los trabajos de investigación para mejorar los cables superconductores de alta temperatura avanzaron y se construyó el primer cable de transmisión subterráneo. Los trabajadores del gigante europeo de cables Pirelli Cables, la American Superconductor Corporation y el Electric Power Research Institute de San Francisco enrollaron conjuntamente 6.000 metros de alambre hecho de bismuto, estroncio, calcio, cobre y oxígeno en un alambre superconductor a temperatura de nitrógeno líquido en un tubo vacío. . Estado actual de la investigación y tendencias de desarrollo en el país y en el extranjero El equipo experimental de alto campo magnético es la condición más básica para llevar a cabo experimentos físicos bajo campos magnéticos fuertes. Establecer un dispositivo de campo magnético fuerte en estado estable por encima de 20T es un proyecto científico integral a gran escala complejo, multidisciplinario y altamente difícil. Su costo de construcción es alto y el costo operativo del dispositivo magnético también es alto. Debido a esto, los centros experimentales internacionales de campos magnéticos fuertes con imanes estables superiores a 20 T solo están distribuidos en los principales países industriales. El primer laboratorio de campos magnéticos fuertes del mundo se construyó en el MIT (Estados Unidos) en 1960. Posteriormente, en la década de 1970, el Reino Unido, los Países Bajos, Francia y Alemania en Europa, así como Europa del Este y la Unión Soviética, establecieron sucesivamente laboratorios de campos magnéticos intensos. El laboratorio japonés de alto campo magnético se construyó a principios de los años 1980. El nivel del campo magnético aumentó de 20T en los años 1960 a 30T en los años 1980. A principios de la década de 1990, el gobierno de Estados Unidos decidió establecer un nuevo Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Florida, y Japón estableció un nuevo laboratorio de alto campo magnético en Tsukuba. La tecnología de imanes de campo fuerte ha logrado grandes avances y desarrollo, y el estado magnético. El nivel de campo se puede esperar alcanzar 40-50T. Con el establecimiento del laboratorio de campos magnéticos fuertes, también se está profundizando la investigación física bajo campos magnéticos fuertes. El descubrimiento del efecto Hall cuántico le valió el Premio Nobel de Física de 1985. Esto se observó al estudiar el proceso de transporte de transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico en un fuerte campo magnético de estado estacionario de 20T. Desde el siglo XXI, cada laboratorio de campos magnéticos elevados ha publicado cada año una media de cientos de artículos sobre el trabajo físico bajo fuertes campos magnéticos, incluidos muchos descubrimientos científicos importantes. La tendencia de desarrollo es generalmente combinar objetos de investigación de vanguardia en el campo de la física de la materia condensada, como materiales superconductores de alta temperatura, nanomateriales, sistemas de baja dimensión y otras condiciones extremas de fuertes campos magnéticos, para estudiarlos. En el Laboratorio de Alto Campo Magnético de Grenoble, las propiedades optoelectrónicas de los materiales semiconductores y las superredes de semiconductores, así como las excitaciones elementales y sus interacciones, son sus principales contenidos de investigación. En el Laboratorio de Alto Campo Magnético de Estados Unidos y Japón, la atención se centra en. Superconductividad de alta temperatura. Materiales, sistemas de baja dimensión, sistemas electrónicos fuertemente correlacionados, superredes artificiales y nuevos materiales. Al mismo tiempo, la investigación sobre los procesos de reacción química y los efectos biológicos bajo fuertes campos magnéticos ha ido atrayendo gradualmente la atención de la gente.
Aunque hay algunos imanes superconductores de 6T-12T dispersos por todo el país en China, aún no se ha formado un centro experimental nacional de campos magnéticos fuertes. El trabajo de investigación científica sistemática de nuestro país bajo campos magnéticos fuertes en estado estacionario por encima de 10T todavía está en blanco. Para satisfacer las necesidades del trabajo de investigación nacional sobre campos magnéticos elevados, ya en 1984, el Departamento de Matemáticas y Física de la Academia de Ciencias de China organizó una demostración y decidió establecer un laboratorio de campos magnéticos elevados en el Instituto de Física del Plasma con Un dispositivo de alto campo magnético de estado estable de 20T como cuerpo principal. El dispositivo fue construido y puesto en funcionamiento en 1992. Al mismo tiempo, el laboratorio ha construido sucesivamente una serie de dispositivos de campo magnético fuerte en estado estacionario que pueden cumplir con diferentes experimentos físicos y tienen una intensidad de campo de aproximadamente 15 T, y están equipados con los correspondientes sistemas de medición de transporte y magnetización y sistemas de baja temperatura. . El Sr. Feng Duan, académico de la Academia de Ciencias de China y físico famoso, dijo con emoción después de enterarse de la situación del Laboratorio de Alto Campo Magnético de Hefei: En el pasado, China no tenía condiciones de campo magnético fuertes y ni siquiera podía Piense en el trabajo físico bajo fuertes campos magnéticos en 1992. Con las fuertes condiciones de campos magnéticos en los últimos años, debemos considerar cuidadosamente este tema.