超電導の科学技術への応用

超伝導は量子現象と呼ばれ、一部の材料の温度が特定の臨界値に達すると、電気抵抗がゼロになり始めるという事実に基づいています。

今日、科学者は、このように動作する可能性のある数百の元素、合金、セラミックをすでに知っています。超電導状態になった導体は、いわゆる超電導状態を示し始めます。 マイスナー効果これは、その体積からの磁場が完全に外側に移動したときです。これは、もちろん、仮説上の理想、つまり抵抗がゼロの条件下での常伝導に関連する効果の古典的な説明と矛盾します。

1986 年から 1993 年にかけて、多数の高温超伝導体、つまり液体ヘリウムの沸点 (4.2 K) のような低温ではなく、沸騰点で超伝導状態になるものが発見されました。液体窒素の温度 (77 K) — 18 倍高く、実験室条件ではヘリウムを使用するよりもはるかに簡単かつ安価に達成できます。

実用化への関心の高まり 超電導 その始まりは、高い電流密度と磁気誘導を備えた II 型超伝導体が地平線の彼方に明るく現れた 1950 年代でした。その後、それらはますます実用的な重要性を獲得し始めました。

電磁誘導の法則は、電流の周りには常に電流が存在することを示しています。 磁場... そして、超電導体は抵抗なしで電流を伝導するため、そのような材料を適切な温度に維持するだけで十分であり、理想的な電磁石を作成するための部品を入手できます。

たとえば、医療診断では、磁気共鳴画像技術には断層撮影装置で強力な超伝導電磁石が使用されます。これらがなければ、医師はメスを使用せずに人体の内部組織のこれほど印象的な高解像度画像を取得することはできません。

ニオブチタンやニオブ錫金属間化合物などの超電導合金は非常に重要性が高まっており、安定した細い超電導フィラメントや撚り線を得ることが技術的に簡単です。

科学者たちは長い間、高い冷却能力（液体ヘリウムの温度レベルで）を備えた液化装置や冷蔵庫を開発してきました。ソ連時代の超電導技術の開発に貢献したのは彼らでした。それでも、1980 年代には大規模な電磁システムが構築されました。

世界初の実験施設 T-7 は、トロイダル磁場を生成するために超電導コイルが必要となる核融合反応を開始する可能性を研究するために設計され、打ち上げられました。大型粒子加速器では、液体水素バブルチャンバーでも超電導コイルが使用されます。

タービン発電機（前世紀の 80 年代に、超伝導体に基づいて超強力なタービン発電機 KGT-20 および KGT-1000 が作成されました）、電気モーター、ケーブル、磁気分離器、輸送システムなどが開発および作成されています。

流量計、レベルゲージ、気圧計、温度計など、超電導体はこれらすべての精密機器に最適ですが、超電導体の産業応用の主な分野は依然として磁気システムと電気機械の 2 つです。

超電導体は磁束を通さないため、このタイプの製品は磁気放射をシールドすることになります。超電導体のこの特性は、強力な電磁放射線などの核爆発の危険な損傷要因から保護するだけでなく、精密マイクロ波装置にも利用されています。

その結果、低温超伝導体は、粒子加速器や核融合炉などの研究機器の磁石の作成に依然として不可欠です。

現在日本で積極的に使用されている磁気浮上列車は、時速 600 km の速度で移動することができ、その実現可能性と効率性は長い間証明されてきました。

超電導体には電気抵抗が存在しないため、電気エネルギーの伝達プロセスがより経済的になります。たとえば、地下に敷設された超電導の細いケーブルは原理的に電力を伝送できますが、従来の方法で電力を伝送するには太いワイヤの束、つまり扱いにくい線路が必要です。

現時点では、システム内に窒素を継続的に送り込む必要性に関連するコストとメンテナンスの問題のみが問題となります。しかし、2008 年に、アメリカン スーパーコンダクターはニューヨークで初の商用超電導送電線の立ち上げに成功しました。

さらに、今日では連続循環電流の形でエネルギーを蓄積および貯蔵（蓄積）することを可能にする産業用バッテリー技術があります。

超伝導体と半導体を組み合わせることで、科学者たちは超高速量子コンピューターを作成し、新世代のコンピューティング技術を世界に紹介しています。

超伝導状態にある物質の転移温度が磁場の大きさに依存する現象は、制御された抵抗器であるクライオトロンの基礎です。

もちろん現時点では、高温超伝導体の獲得に向けた進歩という点で大きな進歩があると言えます。

たとえば、金属セラミック組成物 YBa2Cu3Ox は、窒素の液化温度を超える温度で超伝導状態になります。

しかし、これらの解決策のほとんどは、得られたサンプルが壊れやすく不安定であるという事実によるものです。したがって、前述のニオブ合金は依然として技術的に重要です。

超伝導体を使用すると、光子検出器を作成できます。それらの中には、アンドレーエフ反射を使用するもの、ジョセフソン効果、臨界電流の存在の事実などを使用するものもあります。

赤外領域の単一光子を記録する検出器が構築されており、光電子増倍管などの他の記録原理に基づく検出器と比較して多くの利点が示されています。

記憶セルは、超伝導体の渦に基づいて作成できます。いくつかの磁性ソリトンはすでに同様の方法で使用されています。 2 次元および 3 次元の磁性ソリトンは液体内の渦に似ており、流線の役割はドメイン配列線によって演じられます。

イカは、磁束の変化と電圧の関係に基づいて動作する小型のリングベースの超電導体デバイスです。このようなマイクロデバイスは、地球の磁場を測定できる高感度の磁力計や、スキャンされた臓器の磁力図を取得する医療機器で機能します。