מֵידָע

מוליכות-על: מה זה ולמה זה חשוב לעתידנו

מוליכות-על: מה זה ולמה זה חשוב לעתידנו

בינואר 2019 הודיעה CERN כי היא מסיימת את התוכניות למתווך מעגלי עתידי (FCC) שיחליף את קולדר הגדול של הדרון שאורכו יהיה כמעט 100 ק"מ, מופעל על ידי מגנטים הרותמים את כוח המוליכות העל. מסוגל להאיץ חלקיקים עד במהירות האור שיש לנפץ יחד, ל- FCC יש פוטנציאל להפוך ל"מפעל היגס-בוזון ". אבל מה יש במוליכים-על שהופכים אותם לחזקים כאלה?

התשובה נעוצה במאפיין המדהים של מוליכות-על, מאפיין חומרי ייחודי שיש בו כדי לחולל מהפכה בהעברה חשמלית, תחבורה ופיזיקה כפי שאנו מכירים אותה.

מהי מוליכות-על?

מוליכות-על חשובה בעליל, אז מהי?

כדי להתחיל, עלינו להבין כיצד זרם חשמלי עובר דרך חומר ומה תפקיד ההתנגדות בתהליך זה.

כדי שיהיה לך זרם חשמלי, עליך להיות בעל חומר טעון שלילי, חומר שיש לו מטען חיובי יחסית ומוליך שמעביר אלקטרונים מהחומר הטעון שלילי לזה המטען החיובי.

ראה גם: רופאים מרחבי העולם מפרישים גילוי מוליכים-על חדשים

אולם תהליך זה אינו מושלם. לא כל חומר עובר את האלקטרונים באותה קלות כמו הבא, ואפילו במתכות המוליכות ביותר כמו נחושת, החומר מציע עמידות לזרם. התנגדות זו פירושה שהזרם כולו לא יכול לעבור דרך החומר וכי הזרם מאבד חלק מהאנרגיה שלו בצורה של חום.

אובדן האנרגיה הזה הוא לא בהכרח רע, מכיוון שאנרגיית החום הזו היא זו שמעניקה לנו אורות חשמל וטכנולוגיות מודרניות אחרות, אך אם אתם מעבירים כוח מחלק אחד של המדינה לאחר, אובדן האנרגיה הזה אינו יעיל להפליא.

נושא נוסף הוא שהזרם נחלש עם הזמן בזמן שהוא עובר דרך חומר עמיד מכיוון שהוא נפטר אט אט כאנרגיית חום. פירוש הדבר שיש גבול עד כמה זרם חשמלי יכול לנוע לפני שהוא מתפוגג לחלוטין.

זה מה שהופך את מוליכות העל למיוחדת כל כך. מוליכות-על היא כאשר חומר מפסיק להתנגד לזרם חשמלי ומאפשר לו לעבור דרכו בחופשיות, ללא כל אובדן אנרגיה שנראה לעין כתוצאה מכך.

כדי להכניס חומר למוליך-על, יש להקפיא את החומר לטמפרטורה נמוכה במיוחד, לפעמים רק לכמה מעלות מעל האפס המוחלט (-459.67 מעלות פרנהייט, -273.15 מעלות צלזיוס). ואז, מסיבות שאנחנו עדיין לא יכולים להסביר, ההתנגדות החשמלית נעצרת בפתאומיות וזרם חשמלי יכול להמשיך סביב המעגל לכאורה לנצח.

זה לא המאפיין האקזוטי היחיד של מוליכות-על. חומרים רבים במצב מוליך עלול לבטל שדה מגנטי, מה שמוביל למגנטים "המרחפים" מעל מוליך העל.

איך בכלל גילינו משהו כמו מוליך-על?

כמו הרבה תגליות מדעיות נהדרות, מוליכות-על התגלתה לגמרי במקרה.

ב- 8 באפריל 1911 חקר הפיזיקאי ההולנדי הייקה קאמרלינג אוניס מאוניברסיטת ליידן את תכונות הכספית המוצקה כאשר נקלע לתופעה המוזרה.

Onnes לקח הליום נוזלי והשתמש בו בכדי להוריד את הטמפרטורה של סליל כספית מוצק ל -4.2 מעלות קלווין (-452.11 מעלות פרנהייט, -268.95 מעלות צלזיוס), והתנגדות פתאום נעלמה וכי חוזק הזרם החשמלי בזרם החשמלי סליל לא התפוגג.

בהמשך בדק Onnes את התהליך הזה על עופרת ומצא שגם הוא חדל להתנגד לזרם חשמלי, הפעם ב 7 מעלות קלווין. הוא כינה את מוליכות העל שנמצאה לאחרונה וזכה בפרס נובל בשנת 1913 על עבודתו.

הקפיצה הגדולה הבאה הגיעה בשנת 1933 כאשר המדענים הגרמנים וולטר מייזנר ורוברט אוכנפלד מצאו כי חומר במצב מוליך-על דוחה שדה מגנטי. מגנט העובר מעל מוליך ייצור זרם חשמלי, וזה מה שמאפשר גנרטורים חשמליים.

במוליך על אף שהזרם שהמגנט מייצר משקף בדיוק את השדה שנוצר על ידי המגנט, ודוחה את המגנט. יש בכך כדי לאלץ את המגנט לרחף באוויר, המכונה כיום אפקט מייזנר.

מדענים ממשיכים לגלות במהלך העשורים הבאים, אך הצעד העיקרי הבא במוליכות-על הגיע כאשר אלכס מולר וג'ורג 'בדנורץ ממעבדת המחקר של יבמ ברושליקון, שוויץ, יצרו חומר קרמי שהיה מוליך-על ב -30 מעלות קלווין.

זה נגע לשפע של פעילות מכיוון שמדענים לא ראו קרמיקה כחומר מוליך-על - קרמיקה הם בדרך כלל מבודדים - מה שהוביל בסופו של דבר לצוות מחקר באוניברסיטת אלבמה-האנטסוויל לפתח קרמיקה מוליכה-על ב 92 מעלות קלווין ( -294 מעלות פרנהייט, -181.15 מעלות צלזיוס), חם יותר מחנקן נוזלי, הזמין באופן נרחב.

כיצד משתמשים במוליכים על?

אנו עדיין בוחנים את היישומים המעשיים של מוליכי-על, אך הם כבר נוצלו לשימוש בעולם.

מלבד שימושים תעשייתיים ספציפיים, היישום הנפוץ ביותר עבור מוליכי על הוא מכונת MRI הנפוצה בבתי חולים. רק מערכת מוליכה-על יכולה לאפשר לאנרגיה הנדרשת להפקת שדה מגנטי המניע MRI, שיכול להיות בין 2,500 עד פי 10,000 מכוחו של השדה המגנטי של כדור הארץ, להיות חסכוני.

מלבד מכונת ה- MRI, השימוש המוכר ביותר בחומרים מוליכים הוא במאיצי חלקיקים, כמו הסוג המשמש בקוליידר הגדול של הדרן (LHC) של CERN או במתקני המעגל העתידיים המוצעים שלו.

אם מכונת ה- MRI נשמעת עוצמתית, ה- LHC הוא חיה מוחלטת.

שליחת טריליוני חלקיקים בסביבות 27 ק"מ של מנהרות במהירות קרובה למהירות האור, שמירה על קרן החלקיקים יציבה ונע לאורך הנתיב המדויק מחייבת שדה מגנטי בעל עוצמה עצומה, יותר מ- 100,000 מהשדה המגנטי של כדור הארץ. זה דורש כמות עצומה של אנרגיה, מהסוג שסלילי המוליך העל יכולים לספק.

העתיד של מוליכות-על

יש הרבה שאנחנו לא יודעים על חומרים מוליכים, ואנחנו מפתחים יישומים חדשים עבור מוליכים על מדי יום.

התקווה היא להשתמש יום אחד במוליכות-על בהעברות כוח, מה שיוזיל באופן דרמטי את עלויות האנרגיה ברחבי העולם. רכבות מג-לב, המשתמשות במוליכות-על כדי לרחף קרון רכבת מעל המסילה, ובכך מבטלות חיכוך שעלול להאט רכבת, עשויות להיות עתיד התחבורה.

מי יודע? אולי יום אחד יהיה לנו אלקטרוניקה המשתמשת במוליכים-על כדי לתת לנו טלפונים חכמים שצריך לטעון רק פעם בחודש ומעלה.

זה ניחוש של מישהו, אבל עם ההתקדמות המהירה בטכנולוגיה שלנו, סביר להניח שנראה את מוליכות העל בחיינו כתכונה קבועה במוקדם ולא במאוחר.


צפו בסרטון: מוליכים ומבודדים חלק 1 (דֵצֶמבֶּר 2021).