Тази публикация в блога изследва как свръхпроводниците се справят с проблемите със загубата на енергия и какви промени биха могли да донесат в нашето общество и технологии.
Съвременната наука твърди, че енергията се запазва в цялата вселена. Енергията, полезна за човечеството, обаче често се трансформира в безполезна енергия. В ежедневието не цялата енергия, която хората използват, когато извършват работа, всъщност се използва за тази работа. Това е така, защото част от енергията се преобразува в топлинна енергия поради съпротивлението на обектите. Това е термодинамично спонтанно явление, докато преобразуването на топлинната енергия в други форми на енергия е неспонтанно явление. С други думи, част от енергията, която хората възприемат като полезна, се губи всеки път, когато се използва. Това естествено разхищение на енергия оказва дълбоко влияние върху всеки аспект от живота ни. Следователно, човечеството отдавна търси начини за намаляване на загубите на енергия и по-ефективно използване на енергията.
И така, какво ще стане, ако имаше материал, който би могъл да предотврати това разхищение? По-специално за електрическата енергия такъв материал съществува – такъв, който елиминира загубите на енергия. Този материал е свръхпроводник. Свръхпроводникът е проводник, който проявява свръхпроводимост под определена температура (наречена критична температура). Свръхпроводимостта е явлението, при което електрическото съпротивление на материала пада до нула и материалът става диамагнитен. Диамагнетизмът е явлението, при което материалът отблъсква вътрешно магнитно поле. Ако даден обект притежава диамагнитни свойства, магнитното поле не може да проникне във вътрешността му. Свръхпроводниците се класифицират в свръхпроводници тип I и тип II. Свръхпроводник тип I е такъв, който напълно предотвратява проникването на каквото и да е магнитно поле във вътрешността му. Свръхпроводник тип II е такъв, който позволява на известно магнитно поле да проникне във вътрешността му. С други думи, свръхпроводник тип II е материал, който поддържа свръхпроводимост, без да проявява перфектен диамагнетизъм. Свръхпроводниците тип I са предимно чисти вещества, докато свръхпроводниците тип II обикновено са синтетични материали, създадени при необходимост. Повечето технологии, използващи свръхпроводници, използват свръхпроводници тип II.
Как са открити свръхпроводниците? Подобно на много други открития, откритието на свръхпроводимостта се случва случайно. През 1911 г. холандският физик Хайке Камерлинг Онес провежда експерименти върху връзката между температурата на твърдия живак и неговото електрическо съпротивление. Хайке Камерлинг Онес открива, че съпротивлението на живака намалява линейно с температурата, докато тя понижава температурата. Когато обаче температурата на живака достига 4.2 K, съпротивлението внезапно пада до нула. Това откритие предизвиква голям шок във физическата общност по това време и дава тласък на ново разбиране за физичните явления, протичащи при изключително ниски температури.
След първото наблюдение на свръхпроводимостта, през 1933 г., Фриц Валтер Майснер и Роберт Оксенфелд откриват, че свръхпроводниците от тип I проявяват диамагнитни свойства. Това откритие осигурява основа за по-дълбоко разбиране на свръхпроводниците. Тяхното откритие бележи важен поврат в изследванията на свръхпроводимостта и стимулира активно проучване на потенциалните търговски приложения на свръхпроводниците. Впоследствие, през 1950 г., Лев Ландау и Виталий Гинзбург публикуват теория, обясняваща свойствата на свръхпроводниците. Алексей Абрикосов предсказва, въз основа на тази теория, че свръхпроводниците ще бъдат класифицирани в два типа. През 1962 г. е разработен първият търговски свръхпроводник. Оттогава инженерите се стремят да разработят свръхпроводници, проявяващи свръхпроводимост при стайна температура.
Свръхпроводниците тип I са почти невъзможни за комерсиално приложение поради свойствата им. За разлика от тях, свръхпроводниците тип II се прилагат в различни области. Представителен пример за свръхпроводящи приложения е свръхпроводящият електромагнит. Електромагнитът е магнит, който се намагнитва само когато през него протича електрически ток. Електромагнитите се използват в високоговорители и подобни устройства. Използването на свръхпроводник, който има нулево съпротивление, за направата на електромагнит може да предотврати загубата на енергия по време на неговата работа. Свръхпроводниците се използват и в електрически вериги. Веригите, използващи свръхпроводници, работят по-бързо от тези без тях. По-бързата работа на веригата не само съкращава експерименталното време при използване на веригата, но и позволява разработването на по-бързи електронни устройства.
Ако бъде разработен свръхпроводник, проявяващ свръхпроводимост при стайна температура, този материал би могъл да се използва в различни области, като например електропроводи, кондензатори, трансформатори, магнитни левитационни влакове и двигатели. Свръхпроводящите проводници елиминират загубите на електрическа енергия по време на пренос на енергия. Елиминирането на ненужните загуби на енергия означава, че е необходимо да се генерира по-малко енергия, предотвратявайки разхищението на ресурси.
Влаковете на магнитна подвесна система, използващи свръхпроводници, могат да се движат с ултрависоки скорости. Това ще допринесе за развитието на транспорта. В момента инженерите са повишили критичната температура на свръхпроводниците до 52K и изследванията продължават. Свръхпроводникът, открит случайно от Хайке Камерлинг Онес, също е оставил значителен отпечатък в историята на науката за съвременното общество, изправено пред енергийни кризи.
След откриването на свръхпроводниците, те са оказали дълбоко влияние не само върху физиката, но и върху различни области като електротехниката и материалознанието. Свръхпроводниците вече не са просто обекти на физическо любопитство; те са се превърнали във важни технологични инструменти с практически потенциал за приложение. Нещо повече, те показват голям потенциал да допринесат значително за общественото развитие. В днешния свят, където безразсъдното използване на ограничени ресурси е проблематично, разработването на свръхпроводници, използваеми при стайна температура, се счита за изключително важно. Ако инженерите разработят материали, проявяващи свръхпроводимост при стайна температура, човечеството ще направи още една крачка напред в своята еволюция. С разширяването на търговските приложения на свръхпроводниците ще можем да използваме енергията по по-ефективни и устойчиви начини. Това ще играе решаваща роля в решаването на много от проблемите, пред които е изправено човечеството, особено тези, свързани с енергията и околната среда.
