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问 Hackaday:如果你有室温超导体怎么办?

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这些天,如果没有某种超导体的公告,新闻不会持续太久。不幸的是,这些材料分为几类:需要比以前的材料更高的温度但仍然需要低温冷却的材料,需要非常高的压力的材料,或者经过仔细检查,不是真正的超导体的材料。但很明显,圣杯是一种在环境温度下合理温度下工作的超导材料。大多数人称之为室温超导体,但现实是你真的想要一个“普通温度和压力超导体”,但这很拗口。

在 Hackaday 地堡里,我们一直在讨论当有人解决问题的那一天到来时我们会做什么。我们并不是有一堆未完成的项目需要超导体来完成。除了让磁铁更容易漂浮之外,我们还能用室温超导体做什么?

基础

我们绘制原理图时就好像电线没有电阻一样。但在现实生活中,情况并非如此。电子流过电线会造成一些损失。然而,1911 年,荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes 开创了低温研究。当时,人们普遍认为,虽然降低金属的温度会降低电阻,但在绝对为零的情况下,电子很可能是静止的,因此在该温度下不会有电流流动。 Onnes 的观察结果恰恰相反。从汞开始,他观察到在 4.2 K(非常接近绝对零)时,材料的电阻率突然变为零。

当然,获取接近4.2K的材料是一个大问题。例如,液氮(当您想要冷的时候通常在实验室中使用)的沸点为 77 K。即便如此,用液氮冷却对于大多数应用来说也不太实用。然而,有些陶瓷材料在 90 K 以上表现出超导性,因此如果您愿意用液氮等冷却材料,现在就可以使用超导体。

超导体不会表现出电损耗,因此电流可以在超导材料的环路中永远传播。实验观察到电流在循环中传播了近三十年,没有任何可测量的损失,并且理论预测电流将持续至少 100,000 年(如果不超过宇宙的寿命)。

这一切背后的物理原理是很复杂的。在普通导体中,电子流过离子晶格。一些电子与离子碰撞,将部分能量转化为热量。在超导体中,电子以称为库珀对的弱对结合。这些对形成一种超流体,可以在没有能量耗散的情况下流动。您可以在下面的视频中看到更详细的解释。

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关于超导性的一个重要结论是,当超过给定的电流和磁场水平时,超导性就会消失。因此,除了通过临界温度和压力来表征超导体之外,了解临界电流密度和临界磁场强度也很重要。

明显案例

如今超导体的应用有很多地方: SQUID(超导量子干涉装置)是非常灵敏的磁力计,使用约瑟夫森结,即带有薄绝缘部件的超导体。这些在实验室、核磁共振机器和量子计算机中很常见。也可以用它们来定位潜艇。它们不需要通过大电流,也不受强磁场的影响。据推测,如果你有室温超导体,你可以与它们形成约瑟夫森结,所有这些设备都会变得更便宜并且更容易操作。

我们已经看到超导体的另一个地方是核磁共振成像、粒子加速器、悬浮列车和聚变反应堆等电磁体。这些是需要高电流或受到强磁场影响的应用。如今,这些应用都需要液氮或液氦。如果未来的室温超导体最终也具有高临界电流密度,那么您就可以廉价地制造非常强大的电磁体。

当然,我们今天使用冷超导体的地方会变得更好。但是,您现在也可以执行一些新的应用程序,但冷却开销太高。当然,这其中有一部分会取决于未知魔法材料的特性。例如,您经常听到人们说输电线路可以是超导体。确实如此,但前提是它们具有高临界磁场参数,否则它们就不能真正适用于交流电流。另一方面,我们使用交流电部分是为了对冲损失,因此,如果您愿意改变整个系统,您可能会使用超导电缆来长距离传输较低的直流电压,但随后您将依赖于高临界值当前密度。

消费类电子产品

我们并不完全确定超导体将在消费电子产品中发挥什么作用。更好的磁铁可能意味着更好的电机,所以也许你的电钻会更轻、更强大。组件电阻较低可能意味着热量损失更少,电池寿命更长。你经常听说超导体可以让手机充满电后可持续使用数周。也许吧,但我们的猜测还不是马上。我们怀疑互连的损失确实是耗尽手机电池的原因。然而,低效率较少的组件确实可以延长电池寿命。它也可能允许更快的充电。毕竟,GaN 充电效率更高,因为它比传统电子产品产生的热量更少。超导充电器会更快。

一般来说,您可以期望温暖的超导电子设备能够在更小的空间内处理更多的电流。有人认为它们也可能更快。早期约瑟夫森结(无可否认,在液氦中)比当时使用的传统晶体管快得多。当然,今天的晶体管更加先进,但超导结的广泛使用大概也会带来改进。

你会怎么做?

但事实是,由于我们不知道室温超导体的特性,所以我们不知道它可能会带来什么,也可能不会带来什么。也许你不会拥有超导手机,因为每当你遇到磁场时它就会自行重置。我们根本不知道。

不过,我们确实想问。如果您现在可以打开网络浏览器并订购超导部件,您会用它们做什么?你要电线吗?线圈?切换设备?为什么?请在下面的评论中告诉我们。

如果您可以获得液氮,也许您已经 使用超导材料。 如果是这样, 让我们知道, 也。或者,也许您正在致力于 制造下一种具有室温超导性的材料.

特色图片:大型强子对撞机中心的八个环形超导磁体,图片来源: 欧洲核子研究中心.

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