超電導とは？

あなたの車を考えてみてください。平均して、1ガロンあたり3.50ドル以上（またはあなたが支払うもの）で送り込む化学エネルギーの12.6パーセントだけが動きに変換されます。残りは、抗力、慣性、およびその他の機械的非効率性を克服するために使用され、エンジンの摩擦、エアポンプ、および廃熱によって62.4％が消費されます[出典：CaliforniaEnergyCommission ]。

あらゆる種類のシステムで熱が発生します。エネルギーエンベズラーのように、化学反応、物理システム、電気回路の上部をすくい取ります。それが効率の低下の結果であろうとその原因であろうと、結果はあなたが取引で損失を被っているということです。熱は、私たちが永久運動（または止まることのない運動）を達成できない理由です。

それはまた、発電所が国全体に電流を送るときに電流を高電圧に増幅しなければならない理由でもあります。抵抗によって失われたエネルギーを克服するためです。これは摩擦の電気的対応物です。抵抗を取り除き、それによってエネルギー損失を根絶する方法を見つけることができると想像してみてください。サービス料、税金、みかじめ料はありません。エネルギーイン=エネルギーアウト。

超伝導体を入力してください。熱力学の3つの法則で、フリーランチなどはないと言われている場合、超伝導体もケーキを持って食べます。超電導線に電流を流せば、抵抗にエネルギーを失うことはありません。ワイヤーをループ状に曲げると、電荷が無期限に保持されます。磁石の上にそれを浮かび上がらせてください、そうすれば、太陽はそれが落ちる前に地球をむさぼり食うでしょう。

1911年にオランダの物理学者HeikeKamerlinghOnnesとその共同研究者であるCornelisDorsman、Gerrit Jan Flim、Gilles Holstが発見した直後、超電導は無損失の送電の夢に影響を与えました。残念ながら、問題がありました。

超伝導体は、従来の超伝導体の場合、39ケルビン（マイナス234 C、マイナス389 F）のオーダーの非常に低い温度を必要とします。Kamerlingh Onnesが使用した固体水銀線は、4.2 K（マイナス269.0 C、マイナス452.1 F）未満の温度を必要としました。いわゆる高温超伝導体でさえ、130 K（マイナス143 C、マイナス225.7 F）未満でしか魔法を働かせません。

さらに悪いことに、超伝導体は、あまりにも大きな磁場、またはあまりにも多くの電気にさらされると、抵抗のない状態のままになります。

しかし、すべてが失われたわけではありません。ニオブチタン（NbTi）などの最新の超伝導体は、許容できる磁気負荷の基準を引き上げています。それらの優れた磁場は、特定の磁気浮上式鉄道や、最も一般的な用途であるフェルミ研究所やMRI装置などの陽子加速器で役立ちます。近い将来、研究者は、エネルギー貯蔵システムや高効率風力タービンなどの新しい電力技術でそれらを使用することを望んでいます。

超伝導体が抵抗を回避する衝撃的な方法を見る前に、抵抗がどのように機能するかを確認しましょう。

コンテンツ

1. 抵抗しても無駄だ
2. 良い振動
3. 超伝導体の種類：磁気パーソナリティ
4. 超伝導体の種類:(比較的）ホットタマレ

一部の導体は他の導体よりも優れています。重要なのは組織です。優れた車掌は、複雑な要素を整然としたシステムにまとめることで、鉄道を時間どおりに運行し続け、アルトゥーロトスカニーニはNBC交響楽団を時間どおりに演奏し続けました。

優れた導電体は、同様に調和のとれた組織を示しますが、抵抗と戦わなければなりません。実際、抵抗は、従来の導体を超強力ないとこから分離するものです。

典型的な導体の自由電子は、人々が電車のターミナルをフライス盤で回っているようなものだと考えてください。印加される電流は、列車の到着を知らせるベルのようなものです。瞬時に、個々の動きがプラットフォームに向かって単一の統一された動きに変わります。エスカレーターで道を譲ることを拒否します。彼らが提供する抵抗のおかげで、何人かの旅行者は電車に乗り遅れ、そして流れはエネルギーを失います。これがコンダクターターミナルでの生活です。

今、それらの旅行者を覆面フラッシュモブと交換してください。ベルで、彼らは協力して、ターミナル全体で同期された振り付けのダンスを行います。誰も電車に乗り遅れることはなく、そこに着いたときの疲れも少なくなります。それが超電導ステーションの旅の素晴らしさです。

ただし、この粒子のパ・ド・ドゥのステップを研究する前に、一歩下がって、抵抗がありふれた材料をどのように混乱させるかを確認しましょう。単純なものから始めて、複雑さを加えていきます。

例外はありますが、電流とは、通常、媒体を流れる電子の流れを意味します。材料が電気をどれだけうまく伝導するかは、その構成原子が電子をどれだけ簡単に提供するかに関係します。絶縁体はけちですが、指揮者は船員のように海岸を離れます。

現在コンダクタンス電子として知られている寄付された電子は、個々の原子を周回するのではなく、上記の電車の通勤者のように、導体全体を自由に浮遊します。電流が流れると、材料を流れて電気を伝達します。

導体は原子の格子で構成されています。電気が流れるためには、電子はできるだけ干渉を少なくしてこの格子を移動する必要があります。ジャングルジムに投げ込まれたテニスボールの束のように、一部の電子が格子に当たる可能性は高いです。領域が変形して曲がっている場合、干渉の可能性が高くなります。したがって、材料の欠陥が導体の抵抗の1つの原因をどのように構成しているかを簡単に確認できます。

このジャングルジムの例えでは、原子は金属棒の交差点で表されます。実際には、導体の格子は堅くありません。その原子は振動し、それらをつなぐ相互作用は振動するので、それをばねのグリッドと考える方がよいでしょう。これらの原子が振動する原因は何ですか？温度が高いほど、格子が振動しやすくなり、テニスボールが干渉する可能性が高くなります。私たちの旧友である熱に対する抵抗の2番目の主要な原因をチョークします。

これは疑問を提起します：熱が問題であるならば、寒さは答えではないかもしれませんか？ちょっと冷やしてください。次のセクションでそれについて説明します。

熱が抵抗を増加させる場合、サーモスタットを下げると抵抗が減少するはずですよね？まあ、それは、制限内です。通常の導体では、温度計が下がると抵抗が下がりますが、抵抗がなくなることはありません。超伝導体の動作は少し異なります。

超伝導体が冷えると、特定の臨界温度に達するまで抵抗が徐々に低下するという同様の曲線をたどります。その後、突然、すべての抵抗が消えます。それはまるで抵抗がコンダクタンスで綱引きをゆっくりと失い、そして欲求不満になってロープを手放したかのようです。実際、物質は相転移を起こします。氷が水に溶けるように、従来の材料は、抵抗がゼロの新しい状態を想定しています。

ここで何が起こっているのかを理解するには、アトミックジャングルジムにいくつかの変更を加える必要があります。具体的には、磁性を考慮に入れる必要があります。

導体内の原子が電子をあきらめると、それらは正に帯電したイオンになり、原子格子とそれを通過する負に帯電した電子との間に正味の引力を引き起こします。言い換えれば、振動や変形が十分に悪くないかのように、私たちが振動するジャングルジムに投げているテニスボールは磁石です。これにより、ぐらついたグリッドを通過するときに抵抗に遭遇する可能性が高くなると思われるかもしれません。通常の導体の場合は正しいでしょう。ただし、超伝導体はそれを有利に使用します。

グリッドを介して投げられたテニスボールのペアを想像してください。一方はもう一方の尻尾で熱くなっています。最初のボールが正に帯電した格子を通過すると、周囲の原子がそれに向かって引き付けられます。束ねることにより、これらの原子はより高い正電荷の局所領域を作成し、2番目の電子を前方に引っ張る力を増加させます。その結果、通過するために費やされたエネルギーは、平均して損益分岐点になります。

スクエアダンサーのように、これらのクーパー対は絶えず形成され、崩壊しますが、全体的な効果はそれ自体を永続させ、グリースを塗った稲妻のように電子が超伝導体を通り抜けることを可能にします。

クーパー対は、ジョン・バーディーンとジョン・ロバート・シュリーファーとともに、従来の超伝導体の超伝導を説明する最初の成功したモデルを進歩させた物理学者のレオン・N・クーパーにちなんで名付けられました。彼らの功績は、彼らに敬意を表してBCS理論として知られ、1972年のノーベル物理学賞を受賞しました。

しかし、超伝導は長い間固定されたままになることを拒否しました。BCS理論が現場で牽引力を獲得した直後、研究者たちは、BCSモデルを破った他の超伝導体（高温超伝導銅酸化物など）を発見し始めました。

この次のセクションでは、これらのエキゾチックな超伝導体を他の超伝導体と区別するものを見ていきます。

パーマネントウェーブ

量子力学は、電子が粒子と波動の両方の特性を示すことを示しています。したがって、抵抗と超伝導を概念化するには、電子を、池の波紋のように、物質を伝播する波として想像する必要があります。励起されたイオンの振動によって引き起こされる抵抗は、その湖に投げ込まれた石に似ており、電子波を妨害またはキャンセルするカウンターリップルを作成します。通常の導体と超導体の違いは、関与する組織の程度にあります。超伝導体では、すべての電子がほぼ同じ速度と方向を取り、破壊に抵抗する単一の組織化された波を形成します。

パイをスライスする方法に応じて、多くの種類の超伝導体または2つだけがあります。しかし、磁場中でのそれらの振る舞いの観点から、科学者は一般にそれらを2つのグループに分類します。

タイプIの超伝導体は通常、純金属でできています。臨界温度以下に冷却されると、そのような材料は電気抵抗率がゼロになり、完全な反磁性を示します。つまり、超伝導状態にある間は磁場が浸透できません。

第二種超伝導体は通常合金であり、その反磁性はより複雑です。その理由を理解するには、超伝導体が磁性にどのように反応するかを調べる必要があります。

すべての超伝導体がその超伝導状態を作るまたは壊す臨界温度を持っているように、それぞれも臨界磁場にさらされます。タイプIの超伝導体は、そのような1つのしきい値で超伝導状態に出入りしますが、タイプIIの材料は、2つの異なる磁場しきい値で2回状態を変化させます。

タイプIとタイプIIの材料の違いは、ドライアイス（固体二酸化炭素）と水氷の違いに似ています。両方の固体はよく冷却されますが、熱の処理は異なります。水氷は溶けて混合状態の氷水になりますが、ドライアイスは昇華します。通常の圧力では、固体から気体に直接移行します。

磁性に関しては、タイプIの超伝導体はドライアイスのようなものです。臨界磁場にさらされると、その超伝導は即座に燃え尽きます。タイプIIはより用途が広いです。

弱い場にいる間、タイプIIの材料はタイプIと同様の挙動を示します。これは、H2O_とCO2_の両方が固体状態で効果的に冷却されるのと同じです。ただし、磁場を特定のしきい値より高くすると、材料は混合状態に再編成されます。これは、通常の材料の島の周りに超伝導電流の小さな渦潮が流れる渦状態です。氷水のように、それはまだかなりうまく機能します。しかし、磁場の強さが上昇すると、正常な島が一緒に成長し、周囲の超伝導の渦潮が破壊されます。

この混合状態は磁性にとって何を意味しますか？超伝導体が温まるとどうなるかを説明しました。それでは、反対方向から見てみましょう。

通常の暖かい状態では、タイプIとタイプIIの両方の材料が磁場を通過させますが、臨界温度に向かって冷却されると、これらの磁場はますます放出されます。材料内の電子は、マイスナー効果として知られる現象であるカウンターフィールドを生成する渦電流を設定します。

それらが臨界温度に達すると、タイプIの超伝導体は、多くのデッドビートルームメイトのように残りの磁場を放出します。それらが存在する磁場の強さに応じて、タイプIIの磁場は同じことをするかもしれません-あるいはそれらは少ししがみつくかもしれません。それらが渦状態にある場合、超伝導ストリーム内の通常の材料の島をまだ流れる磁場がスタックする可能性があります。これは、磁束ピン止めと呼ばれる現象です（サイドバーを参照）。磁束は、磁場の量の尺度です。与えられた表面を通過します。

それらはこのより強い磁場で超伝導体のままでいることができるので、ニオブチタン（NbTi）のようなタイプII材料は、例えばフェルミラボの陽子加速器やMRI装置に見られるタイプの超伝導磁石の良い候補になります。

カエルが飛ぶとき

2000年、アンドレ・ガイムとマイケル・ベリー卿は、超伝導体と反磁性を使用して、カエル、水、ヘーゼルナッツを浮揚させることにより、イグノーベル物理学賞を受賞しました。水や有機組織は非磁性であると考える傾向がありますが、一部の元素やほとんどの化合物は、強い磁場に置かれると非常に弱い反発効果を示します。物理学者はまた、反磁性を使用して超伝導体を安定して浮上させます。その秘訣は、イットリウムバリウム銅酸化物のようなタイプII超伝導体にあります。これにより、磁場が通過し、所定の位置に固定されます。2011年にウェブ上で話題になった「量子浮揚」ビデオは、この種の浮揚を例示しました。この種の浮揚では、着実に浮揚するがぐらつく、または強磁性体であるタイプIの材料とは異なり、磁気と反磁性が組み合わさって浮揚器を完全に静止させます。

超伝導体の産業的および科学的用途は、電磁モジョを動作させるために必要な特別な温度条件によって制限されるため、臨界温度と圧力要件に基づいて材料を分類することは理にかなっています。

アルミニウム、鉛、水銀、スズなどの27の金属元素を含む数百の物質が、低温高圧で超伝導体になります。セレン、シリコン、ウランを含む別の11の化学元素は、低温高圧で超伝導状態に移行します[出典：ブリタニカ百科事典]。

1986年まで、IBMの研究者であるKarlAlexanderMulllerとJohannesGeorgBednorzは、35 K（マイナス238 C、マイナス397 F）でゼロ抵抗を達成したバリウム-ランタン-銅酸化物を備えた高温超伝導体の時代を迎えました。超伝導体によって達成された温度は23K（マイナス250 C、マイナス418 F）でした。このような低温超伝導体は、液体ヘリウムによる冷却が必要でしたが、これは製造が難しく、予算を超える傾向がありました[出典：HaldarandAbetti ]。高温超伝導体は、温度範囲を約130 K（マイナス143 C、マイナス226 F）にします。つまり、空気から安価に製造された液体窒素を使用して冷却できます[出典：Mehta ]。

物理学者は、BCSモデルに従う低温超伝導体を支配するメカニズムを理解していますが、高温超伝導体は謎のままです[出典：CERN ]。聖杯は、室温で抵抗がゼロの材料を実現することですが、これまでのところ、その夢はとらえどころのないままです。おそらくそれは不可能であるか、あるいは他の科学革命のように、それは地平線のすぐ上にあり、夢を実現するために必要な技術的または理論的革新を待っています。

一方、超伝導体が提供する強力な利点は、電力、輸送、医用画像および診断、核磁気共鳴（NMR）、工業処理、高エネルギー物理学、無線通信、計装、センサー、レーダー、ハイエンドコンピューティング、さらには極低温[出典：CCAS ]。

前述のmaglev、MRI 、および粒子加速器のアプリケーションに加えて、超伝導体は現在、バイオテクノロジー、ゲノミクス、製薬研究、および材料科学の研究のための重要なツールであるNMR分光法で商業的に使用されています。産業界はまた、紙やセラミック製品の一般的なフィラーであるカオリンクレーを分離するための磁気プロセスにそれらを適用しています。

将来的には、研究者や製造業者が超伝導体のコスト、冷凍、信頼性、受容性の限界を克服できれば、空は限界です。風車などのグリーンテクノロジーを、テクノロジーのより広範な受け入れと適用の次のステップと見なす人もいますが、より大きな可能性が迫っています。

知るか？おそらく将来の読者は、超伝導のおかげで、核融合炉を動力源とするグリッドに接続された、ほぼ光速のプロセッサを搭載したコンピュータでこの記事を熟読するでしょう。

ViveLaDifférence

超伝導体はゼロ以上の抵抗率を誇っています。また、非常に高い通電密度、高周波での非常に低い抵抗、非常に低い信号分散、および高い磁場感度を提供します。それらは、外部から加えられた磁場を排除し、異常な量子挙動を示し、光速に近い信号伝送が可能です。この要因の組み合わせは、電磁産業のルールを効果的に書き直し、送電、発電、貯蔵の改善を含む、多くの可能な革新を示唆しています。モーター用のより小さく、より強力な磁石。最先端の医療機器; 通信および軍事用途向けの改良されたマイクロ波コンポーネント。大幅にブーストされたセンサー。磁場を使用して荷電粒子を封じ込めます。

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