Application de la supraconductivité dans la science et la technologie

La supraconductivité est appelée un phénomène quantique, qui consiste dans le fait que certains matériaux, lorsque leur température est portée à une certaine valeur critique, commencent à présenter une résistance électrique nulle.

Aujourd'hui, les scientifiques connaissent déjà plusieurs centaines d'éléments, alliages et céramiques capables de se comporter de la sorte. Un conducteur qui est entré dans un état supraconducteur commence à montrer ce qu'on appelle Effet Meissner, lorsque le champ magnétique de son volume est complètement déplacé vers l'extérieur, ce qui, bien sûr, contredit la description classique des effets associés à la conduction ordinaire dans des conditions d'un idéal hypothétique, c'est-à-dire une résistance nulle.

Dans la période de 1986 à 1993, un certain nombre de supraconducteurs à haute température ont été découverts, c'est-à-dire ceux qui passent dans un état supraconducteur non plus à des températures aussi basses que le point d'ébullition de l'hélium liquide (4,2 K), mais au point d'ébullition point d'azote liquide ( 77 K) - 18 fois plus élevé, ce qui, dans des conditions de laboratoire, peut être réalisé beaucoup plus facilement et à moindre coût qu'avec de l'hélium.

Intérêt accru pour l'application pratique supraconductivité a commencé dans les années 1950 lorsque les supraconducteurs de type II, avec leur haute densité de courant et leur induction magnétique, sont apparus avec éclat à l'horizon. Puis ils ont commencé à acquérir de plus en plus d'importance pratique.

La loi de l'induction électromagnétique nous dit qu'autour du courant électrique il y a toujours champ magnétique... Et puisque les supraconducteurs conduisent le courant sans résistance, il suffit simplement de maintenir ces matériaux aux bonnes températures et d'obtenir ainsi des pièces pour créer des électroaimants idéaux.

Par exemple, dans les diagnostics médicaux, la technologie d'imagerie par résonance magnétique implique l'utilisation de puissants électroaimants supraconducteurs dans les tomographes. Sans eux, les médecins ne pourraient pas obtenir des images à haute résolution aussi impressionnantes des tissus internes du corps humain sans recourir à l'utilisation d'un scalpel.

Les alliages supraconducteurs tels que les intermétalliques niobium-titane et niobium-étain ont acquis une grande importance, à partir desquels il est techniquement facile d'obtenir des filaments supraconducteurs minces stables et des fils torsadés.

Les scientifiques ont depuis longtemps créé des liquéfacteurs et des réfrigérateurs à haute capacité de refroidissement (au niveau de température de l'hélium liquide), ce sont eux qui ont contribué au développement de la technologie supraconductrice en URSS. Même alors, dans les années 1980, de grands systèmes électromagnétiques ont été construits.

La première installation expérimentale au monde, T-7, a été lancée, conçue pour étudier la possibilité d'initier une réaction de fusion, où des bobines supraconductrices sont nécessaires pour créer un champ magnétique toroïdal.Dans les grands accélérateurs de particules, les bobines supraconductrices sont également utilisées dans les chambres à bulles à hydrogène liquide.

Des générateurs à turbine sont développés et créés (dans les années 80 du siècle dernier, des générateurs à turbine ultra-puissants KGT-20 et KGT-1000 ont été créés sur la base de supraconducteurs), des moteurs électriques, des câbles, des séparateurs magnétiques, des systèmes de transport, etc.

Débitmètres, jauges de niveau, baromètres, thermomètres, les supraconducteurs sont parfaits pour tous ces instruments de précision.Les principaux domaines d'application industrielle des supraconducteurs restent deux : les systèmes magnétiques et les machines électriques.

Comme le supraconducteur ne laisse pas passer le flux magnétique, cela signifie qu'un produit de ce type fait écran au rayonnement magnétique. Cette propriété des supraconducteurs est utilisée dans les dispositifs à micro-ondes de précision, ainsi que pour se protéger contre un facteur de dommage aussi dangereux d'une explosion nucléaire que le puissant rayonnement électromagnétique.

En conséquence, les supraconducteurs à basse température restent indispensables pour la création d'aimants dans les équipements de recherche tels que les accélérateurs de particules et les réacteurs de fusion.

Les trains à lévitation magnétique, qui sont activement utilisés aujourd'hui au Japon, peuvent désormais se déplacer à une vitesse de 600 km / h et ont depuis longtemps prouvé leur faisabilité et leur efficacité.

L'absence de résistance électrique dans les supraconducteurs rend le processus de transfert d'énergie électrique plus économique. Par exemple, un câble mince supraconducteur posé sous terre pourrait en principe transmettre une puissance qui nécessiterait un épais faisceau de fils - une ligne encombrante - pour la transmettre de manière traditionnelle.

Actuellement, seuls les problèmes de coût et de maintenance associés à la nécessité de pomper en continu de l'azote dans le système restent pertinents. Cependant, en 2008, American Superconductor a lancé avec succès la première ligne de transmission supraconductrice commerciale à New York.

De plus, il existe une technologie de batterie industrielle qui permet aujourd'hui d'accumuler et de stocker (accumuler) de l'énergie sous la forme d'un courant circulant continu.

En combinant supraconducteurs et semi-conducteurs, les scientifiques créent des ordinateurs quantiques ultra-rapides qui introduisent dans le monde une nouvelle génération de technologie informatique.

Le phénomène de dépendance de la température de transition d'une substance à l'état supraconducteur à l'amplitude du champ magnétique est à la base des résistances contrôlées - cryotrons.

En ce moment, bien sûr, on peut parler de progrès significatifs en termes de progrès vers l'obtention de supraconducteurs à haute température.

Par exemple, la composition céramo-métallique YBa2Cu3Ox passe dans un état supraconducteur à une température supérieure à la température de liquéfaction de l'azote !

Cependant, la plupart de ces solutions sont dues au fait que les échantillons obtenus sont fragiles et instables ; par conséquent, les alliages de niobium susmentionnés sont toujours pertinents dans la technologie.

Les supraconducteurs permettent de créer des détecteurs de photons. Certains d'entre eux utilisent la réflexion d'Andreev, d'autres utilisent l'effet Josephson, le fait de la présence d'un courant critique, etc.

Des détecteurs ont été construits qui enregistrent des photons uniques dans la gamme infrarouge, ce qui présente un certain nombre d'avantages par rapport aux détecteurs basés sur d'autres principes d'enregistrement, tels que les multiplicateurs photoélectriques, etc.

Des cellules de mémoire peuvent être créées sur la base de tourbillons dans des supraconducteurs. Certains solitons magnétiques sont déjà utilisés de manière similaire. Les solitons magnétiques bidimensionnels et tridimensionnels sont similaires aux tourbillons dans un liquide, où le rôle des lignes de courant est joué par les lignes d'alignement de domaine.

Les calmars sont des dispositifs supraconducteurs miniatures à base d'anneaux qui fonctionnent sur la base de la relation entre les changements de flux magnétique et de tension électrique. De tels microdispositifs fonctionnent dans des magnétomètres très sensibles capables de mesurer le champ magnétique terrestre, ainsi que dans des équipements médicaux pour obtenir des magnétogrammes d'organes scannés.