SVET SUPER STVARI
SUPRAVODLJIVOST
Danas kako se istraživanja postepeno razotkrivaju, naučni svet zna da je supravodljivost kvantni fenomen. Ova pojava se javlja kod nekih materijala pri dovoljno niskim temperaturama i dovoljno malim jačinama magnetnog polja, koje karakteriše nula otpora, što dovodi do smanjenja unutrašnjeg magnetnog polja prema Meissner-ovom efektu. Drugim rečima, supravodič je materijal koji postiže supravodljivost, stanje materije koje nema otpor i ne propušta magnetska polja.
Ukoliko se komad metala ohladi do temparature koja je blizu apsolutne nule može se videti kako metal levitira iznad magneta, ili da čvrsti materijali prolaze jedni kroz druge. Ova neobičnost ne služi samo za zabavu_ na osnovu ovih čudnih fenomena može se pronaći rešenje za izbavljenje iz energetske krize, a i naći neka objašnjenja prirode svemira.
Godine 1911., u studijama o električnim svojstvima žive, holandski fizičar HK Onnes (Univerzitet Leiden, Holandija) otkrio je da otpor u živi potpuno nestaje kada se temperatura žive smanji na 4,2 K, što je ekvivalentno -268,95 o C [1 ]. To znači da električna struja može teći u uzorku žive bez ikakve redukcije i ovaj fenomen se naziva supravodljivost materije. Dakle, ako se električna struja dovede na kolo napravljeno od supravodiča, električna energija se neće rasipati tokom prenosa jer nema impedance. Ovo je prva jedinstvena karakteristika supravodnika, koja otvara nova istraživanja i smerove primene kako bi se smanjio gubitak snage tokom prenosa. Iako je otkriven prilično rano, tek 1950. godine teorijski sistem koji se odnosi na supravodljivost postepeno je razjašnjen.
Konkretno, prva publikacija o principu rada supravodnika prema GLAG modelu (nazvana po sovjetskim fizičarima koji su izgradili model: Ginzburg - Landau - Abrikosov - Gorkov) postavila je temelje za praktičnu primenu supravodnika. Ovaj model je bio uspešan u predviđanju makroskopskih svojstava supravodljivosti, iako je ono što se događa na mikroskopskom nivou ostalo bez odgovora. Do 1957. tri fizičara J. Bardeen, LN Cooper i JR Schrieffer [2] razvili su kompletnu mikroskopsku teoriju supravodljivosti, nazvanu BCS teorija. U skladu s tim, BCS teorija dokazuje da je razlog zbog kojeg materijali postaju supravodljivi zato što pri vrlo niskim temperaturama, vibracije rešetke ili "fononi" pružaju privlačne interakcije, omogućavajući slobodnim elektronima da se upare i formiraju niz. Dakle, elektroni se kreću u smeru unutar supravodiča bez otpora, odnosno struja teče bez otpora.
U decenijama otkako je otkrivena supravodljivost, fizičari širom sveta proveli su dosta vremena pokušavajući da razumeju prirodu i uzroke ovog fenomena. Istraživanja pokazuju da mnogi elementi i materijali mogu postati supravodljivi kada se ohlade ispod "temperature prelaza" - temperature na kojoj električni otpor potpuno nestaje. Jedan od izvanrednih rezultata istraživanja u to vreme bio je da su fizičari W. Meissner i R. Ochsenfeld otkrili drugo jedinstveno svojstvo supraprovodnika 1933. godine. Ovo je jedno od najčudnijih svojstava supravodnika, koje se javlja kada se stave u magnetsko polje. Na visokim temperaturama iznad prelazne temperature i jakim magnetnim poljima, linije magnetnog polja prolaze kroz materijal kao i obično. Međutim, kada materijal postigne supravodljivost u uslovima hlađenja ispod prelazne temperature, linije magnetskog polja se istiskuju iz supravodiča i moraju ići oko uzorka. Ovo objašnjava zašto možemo da posmatramo kako "lebdeći" čvrsti objekat podižu nevidljive magnetne sile u očaravajućem belom dimu.( vidi sliku na povecetku)
Jedinstvenost supravodljivosti ne prestaje tu. 1962. godine, fizičar BD Josephson sa Univerziteta Cambridge (UK) otkrio je treću jedinstvenu karakteristiku supravodljivosti, poznatu kao "Josephsonov efekat". U Josephsonovom efektu, elektroni su opisani kao sposobni da teku između dva supravodiča odvojena tankim izolacijskim slojem ili konvencionalnom metalnom barijerom. Struja koja teče kroz ovaj razdelni sloj vrlo je osetljiva na promene u vanjskim električnim i magnetskim poljima. Ovo je osnova za razvoj preciznih uređaja za merenje električnog polja kao što je supravodljivi kvantni interferentni uređaj (SQUID) koji se koristi za merenje vrlo malih magnetnih polja, a istovremeno pruža i standard napona za laboratorijske merne eksperimente širom sveta.
Zajedno s novim otkrićima u proteklom stoleću, svojstva supravodljivosti ne samo da su ostala jedinstvena u svetu naučne teorije, već su ušla u praksu da služe istraživačkim aktivnostima kao i primeni u životu. U polju fizike visokih energija, supravodljivi magneti se koriste za stvaranje moćnih akceleratora za proučavanje porekla materije putem sudara visokoenergetskih elementarnih čestica. Veliki hadronski sudarač (LHC) je najmoderniji, najveći i najmoćniji sistem ubrzanja čestica. u njemu su uključena 1.232 supravodljiva magneta, koji se koriste za usmeravanje zakrivljenog kretanja, kao i fokusiranje ubrzanih snopova čestica bez smanjenja njihove energije. Svaki supravodljivi magnet u LHC-u ima dužinu od 15 m i masu do 35 tona, koji radi na temperaturi od 1,9 K, što je ekvivalentno -271,25 o C.
Glavna svrha LHC-a je izvođenje eksperimenata kako bi se prekršile granice i pretpostavke standardnog modela – to su osnovne teorije savremene fizike čestica. Rezultati istraživanja iz eksperimenata na LHC-u su dokazala predviđanja o postojanju elementarnih čestica kao što su Quarks i Higgs čestice i njihova svojstva mase, a očekuje se da će nastaviti da objašnjavaju nepotpune veze u standardnom modelu.
U Cernu se tečni helijum ohladi na samo dva kelvina.Tada helijum počinje da se rotira i postaje “superfluid” tečno stanje bez viskoziteta i počinje da prkosi zakonima gravitacije, mada je praktičnija vrednost ovakvog materijala njegovo neobično termalno ponašanje. U CERN-u su otkrili da se ovaj tečni helijum jako sporo zagreva, nakon što postane superfluid. Naučnici veruju da će superfluidi pomoći u izgradnji mašine koja bi trebalo da otkrije najskrivenije tajne sile koje deluju u Univerzumu i koje utiču na njegovo postojanje.
Na temparaturama koje su blizu 0 kelvina, mnogi metali gube otpor na elektricitet.To dovodi do toga da superprovodnici stvaraju izuzetno snažna magnetna polja, pa su idealni za prenos ili skladištenje energije.Na prenosu struje preko superprovodnika ne bi se gubilo nimalo energije zbog električnog otpora, a ovi materijali bi se mogli koristiti za skladištenje energije koja se dobija od solarne energije ili energije vetra, što bi bilo idealno rešenje za svetske energetske probleme.
Ideja o vozilu koje se može kretati velikom brzinom zbog minimiziranja trenja tokom kretanja rezultovala je maglev vozovima. Japan i Nemačka su prve dve zemlje koje su uspele u projektu razvoja prototipa maglev voza koristeći supravodljivu tehnologiju od 1970-ih . Dakle, ovi eksperimentalni vozovi koriste još jednu odliku superprovodnika: Majsnerov efekat. Superprovodnici lebde iznad magneta zbog toga što magnet u njima pokreće strujanje koje stvara sopstveno magnetno polje, suprotno od polja magneta. Uzajamno odbijanje čini da superprovodnici lebde. Ako se voz postavi na superprovodnik, to je osnova za levitirajući prevozni sistem lišen trenja.Takvi “maglev” vozovi koriste keramiku koja se ponaša kao superprovodnik na višim temparaturama, pa ju je lakše hladiti, uz upotrebu tečnog vodonika. izvor
Maksimalna komercijalna brzina je oko 300 kilometara na čas za većinu državnih konvencionalnih brzih pruga (Japan, Francuska, Kina, Nemačka, Španija, Italija, Britanija). Superbrzi vozovi u Japanu, imaju prosečnu brzinu od 243 kilometra na sat, u Nemačkoj 232 kilometra, u Francuskoj 277 kilometara na sat. U Rusija superbrzi luksuzni ekspres Sapsan/Velaro vozi 250 kilometara na sat a saobraća na trasi između Moskve i Sanktpeterburga. Najveća izmerena brzina koju ovaj voz može dostići iznosi 394,2 kilometra na sat.
Najveću brzinu 486 kilometara na sat, dostiže najnoviji kineski voz čiji je uglađeni dizajn inspirisan drevnim kineskim mačem, a izgrađen je od plastike ojačane ugljeničnim vlaknima, i od legure magnezijuma čime se smanjuje težina i istovremeno povećava brzina. To je najveća brzina nemodifikovanog klasičnog, konvencionalnog prevoznog vozila. Drugačiji tipovi vozova u svetu postižu i veće brzine. Rekorder na konvencionalnim brzim prugama je voz V150, specijalno dizajnirani i modifikovani "Alstomov" Te-Že-Ve (TGV). Na test vožnji, taj francuski voz je postigao brzinu od 574,8 km/h.
Što se tiče tzv. "maglev" vozova, odnosno onih koji levitiraju na magnetnoj šini, njihova komercijalna brzina je oko 400 kilometara na čas, a rekordna 581 km/h. Postigao ju je japanski eksperimentalni voz MLX01.
Tokom perioda 1970-1980, postognuti su uspesi supravodljivosti u SAD-u, Japanu i evropskim zemljama u projektima na energetskim kablovima, generatorima, supravodljivim transformatorima i svemirskim brodovima. Predviđa se da će tržište supravodljivih energetskih kablova značajno rasti do 2028. godine, zbog potrebe za razvojem infrastrukture kako bi se zadovoljila sve veća globalna potražnja za električnom energijom. Integracija kompjuterskih čipova u elektronske i telekomunikacijske uređaje ili razvoj moderne tehnologije nuklearne magnetne rezonancije u medicini takođe će promovisati rast tržišta supravodljivih energetskih kablova.
Cilj je napredak u potrazi za supravodljivošću na sobnoj temperaturi. Put ka pronalaženju supravodiča postupno se približio granici sobne temperature, ali sintetiziranje supravodiča pod pritiskom milionima puta većim od atmosferskog još uvek je veliki izazov. Danas, kada se sintetički dijamanti mogu stvoriti i primenim tehnika hemijskog taloženja pare niskog pritiska, možemo računati na nova otkrića supravodiča na sobnoj temperaturi metodom niskog pritiska.
Нема коментара:
Постави коментар