วัสดุตัวนำยวดยิ่งคืออะไร

เมื่ออุณหภูมิลดลงถึงอุณหภูมิวิกฤตความต้านทานของวัสดุบางชนิดจะหายไปอย่างสมบูรณ์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการนำไฟฟ้ายิ่งยวดและวัสดุที่มีปรากฏการณ์นี้เรียกว่าวัสดุตัวนำยิ่งยวด คุณสมบัติอีกประการหนึ่งของตัวนำยิ่งยวดคือเมื่อความต้านทานหายไปเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กจะไม่ผ่านตัวนำยิ่งยวด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า diamagnetism

ความต้านทานของโลหะทั่วไป (เช่นทองแดง) จะค่อยๆลดลงตามการลดลงของอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิใกล้ 0K ความต้านทานจะถึงค่าหนึ่ง ในปีพ. ศ. 2462 ออนเนสนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ได้ใช้ฮีเลียมเหลวเพื่อทำให้ปรอทเย็นลง เมื่ออุณหภูมิลดลงเหลือ 4.2K (เช่น -269 ° C) เขาพบว่าความต้านทานของปรอทหายไปอย่างสมบูรณ์

ความเป็นตัวนำยิ่งยวดและแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นลักษณะสำคัญสองประการของตัวนำยิ่งยวด อุณหภูมิที่ความต้านทานของตัวนำยิ่งยวดเป็นศูนย์เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤต (TC) ปัญหาในการวิจัยวัสดุตัวนำยวดยิ่งคือการเจาะ" กำแพงกั้นอุณหภูมิ" นั่นคือการค้นหาวัสดุตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิสูง

วัสดุตัวนำยวดยิ่งที่ใช้งานได้จริงซึ่งแสดงโดย NbTi และ Nb3Sn ได้ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์และถูกนำไปใช้ในหลายสาขาเช่นการถ่ายภาพมนุษย์ด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMRI) แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดและแม่เหล็กเร่งขนาดใหญ่ SQUID ถูกใช้เป็นต้นแบบของการใช้งานกระแสไฟฟ้าที่อ่อนแอ มีบทบาทสำคัญในการวัดสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าอ่อน ๆ และอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวดไม่สามารถบรรลุได้ อย่างไรก็ตามเนื่องจากอุณหภูมิวิกฤตของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำทั่วไปต่ำเกินไปจึงต้องใช้ในระบบฮีเลียมเหลว (4.2K) ที่มีราคาแพงและซับซ้อนซึ่ง จำกัด การพัฒนาแอปพลิเคชันตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำอย่างรุนแรง

การเกิดขึ้นของตัวนำยวดยิ่งออกไซด์ที่มีอุณหภูมิสูงได้ทำลายกำแพงอุณหภูมิและทำให้อุณหภูมิของการนำไฟฟ้ายิ่งยวดจากฮีเลียมเหลว (4.2K) ไปเป็นไนโตรเจนเหลว (77K) เพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกับฮีเลียมเหลวไนโตรเจนเหลวเป็นสารทำความเย็นที่ประหยัดมากและมีความจุความร้อนสูงกว่าซึ่งทำให้เกิดความสะดวกสบายในการใช้งานด้านวิศวกรรม นอกจากนี้ตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิสูงยังมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กสูงมากและสามารถใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความแรงสูงกว่า 20T ได้

การใช้วัสดุตัวนำยิ่งยวดที่น่าสนใจที่สุด ได้แก่ การผลิตไฟฟ้าการส่งกำลังและการกักเก็บพลังงาน การใช้วัสดุตัวนำยวดยิ่งเพื่อสร้างขดลวดแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ายิ่งยวดสามารถเพิ่มความแรงสนามแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็น 50,000 ถึง 60,000 เกาส์และแทบไม่มีการสูญเสียพลังงานเลย เมื่อเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไปความจุเดียวของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดเพิ่มขึ้น 5 ~ 10 เท่าประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 50% สายส่งตัวนำยวดยิ่งและหม้อแปลงตัวนำยวดยิ่งสามารถส่งกระแสไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ได้โดยแทบไม่สูญเสีย ตามสถิติประมาณ 15% ของการสูญเสียพลังงานในการส่งผ่านสายทองแดงหรืออลูมิเนียมอยู่บนสายส่ง ในประเทศจีนการสูญเสียพลังงานต่อปีมากกว่า 1 แสนล้านองศา หากเปลี่ยนเป็นการส่งกำลังตัวนำยิ่งยวดพลังงานที่ประหยัดได้จะเทียบเท่ากับโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่แห่งใหม่หลายสิบแห่ง หลักการทำงานของรถไฟแมกเลฟตัวนำยิ่งยวดคือการใช้คุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุตัวนำยิ่งยวดเพื่อลดวัสดุที่เป็นตัวนำยิ่งยวด วัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าวางอยู่เหนือแม่เหล็กถาวร (หรือสนามแม่เหล็ก) เนื่องจากความเป็นแม่เหล็กของตัวนำยิ่งยวดเส้นสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กจึงไม่สามารถผ่านตัวนำยิ่งยวดได้ แรงขับจะถูกสร้างขึ้นระหว่างแม่เหล็ก (หรือสนามแม่เหล็ก) กับตัวนำยิ่งยวดทำให้ตัวนำยิ่งยวดลอยอยู่เหนือมัน เอฟเฟกต์การลอยตัวของแม่เหล็กชนิดนี้สามารถใช้ในการสร้างรถไฟลอยแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดความเร็วสูงเช่นรถไฟความเร็วสูงที่สนามบินนานาชาติเซี่ยงไฮ้ผู่ตง สำหรับคอมพิวเตอร์ที่มีตัวนำยิ่งยวดคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงต้องการการจัดเรียงส่วนประกอบและสายเชื่อมต่อบนชิปวงจรรวมอย่างหนาแน่น แต่วงจรที่จัดเรียงอย่างหนาแน่นจะเกิดความร้อนจำนวนมากระหว่างการทำงาน หากใช้วัสดุตัวนำยิ่งยวดที่มีความต้านทานใกล้ศูนย์เพื่อทำลวดเชื่อมต่อหรืออุปกรณ์ตัวนำยวดยิ่งที่มีความร้อนสูงพิเศษจะไม่มีปัญหาการกระจายความร้อนและความเร็วของคอมพิวเตอร์จะดีขึ้นอย่างมาก