Desde la aparición de los materiales superconductores, ha habido grandes esperanzas de resolver este problema. ¿Cómo se descubrieron los materiales superconductores? Era 1911. Muchos científicos han descubierto que la resistencia de un metal está fuertemente relacionada con sus condiciones de temperatura. Cuando la temperatura es alta, su resistencia aumenta y cuando la temperatura es baja, su resistencia disminuye. Resumir la fórmula teórica de la relación entre la resistencia del metal y la temperatura. En ese momento, el físico holandés Anis realizó un experimento con mercurio para comprobar si esta fórmula teórica era correcta. Cuando enfrió el mercurio a -40°C, el mercurio líquido chispeante se convirtió en un sólido de "punto de congelación". Luego estiró el mercurio en finas hebras y continuó bajando la temperatura. También se midió la resistencia del mercurio sólido a diferentes temperaturas. Cuando la temperatura desciende a 4K, ocurre un fenómeno extraño: la resistencia del mercurio de repente se vuelve cero. Al principio no creía en el resultado, así que lo intentó una y otra vez, pero era lo mismo. Este descubrimiento causó sensación en la comunidad física de todo el mundo. Más tarde, los científicos llamaron a este fenómeno superconductividad, los materiales con resistencia cero se consideran materiales superconductores, y la temperatura a la que se produce la superconductividad se denomina "temperatura crítica" de los materiales superconductores.
Anis y muchos científicos descubrieron más tarde 28 elementos superconductores y más de 8.000 materiales compuestos superconductores. La temperatura crítica de los superconductores es mayoritariamente cercana al cero absoluto, lo que no tiene ningún valor económico, porque temperaturas tan extremadamente bajas son muy caras y difíciles de fabricar.
Para encontrar materiales con una temperatura crítica alta y sin resistencia, innumerables científicos de todo el mundo han luchado durante casi 60 años, pero no han logrado avances. No fue hasta 1973 que algunos científicos británicos y estadounidenses descubrieron una aleación de niobio-germanio con superconductividad a 23K. Desde entonces, este récord se mantiene durante más de 10 años.
En 1986, Bessenold y Muller, que trabajaban en el laboratorio de la Swiss International Business Corporation, aprendieron de las lecciones de los repetidos fracasos de otros y abandonaron la vieja idea de buscar materiales superconductores. en metales y aleaciones, liberando ideas, y finalmente descubrió que un material de óxido cerámico de óxido de bario, lantano, cobre exhibe fenómenos superconductores a una temperatura más alta de 43K. Este fue un logro sorprendente, por lo que ambos hombres recibieron el Premio Nobel de Física de 1987 a 1987.
Después de eso, el erudito chino-estadounidense Zhu Jingwu y el físico chino Zhao Zhongxian descubrieron materiales superconductores de alta temperatura de óxido de cobre, itrio, bario y 78,5 K en 1987. Rápidamente se descubrió que la aleación superconductora de alta temperatura Bi-Sr-Ca-O-Cu es superconductora a una temperatura de 110K. Más tarde, la temperatura superconductora de la aleación de talio, bario, calcio, cobre y oxígeno se acercó más a la temperatura ambiente, alcanzando los 120 K K, de modo que el material superconductor podría funcionar en nitrógeno líquido. Se puede decir que esto es un gran avance en ciencia y tecnología en el siglo XX y un nuevo hito en la historia del desarrollo de la tecnología superconductora.
Hoy en día, la investigación sobre materiales superconductores de alta temperatura sigue en ascenso. En 1991, científicos de Estados Unidos y Japón descubrieron que el C-60, una molécula de carbono esférica dopada con potasio, cesio, neodimio y otros elementos, también se convertía en superconductor. Algunos científicos predicen que la molécula esférica de carbono C-60 puede volverse superconductora a temperatura ambiente en el futuro después de haber sido dopada con metales. Para entonces, los materiales superconductores pueden, al igual que los materiales semiconductores, provocar una revolución industrial y tecnológica en todo el mundo.
Los beneficios sociales y económicos de la aplicación de materiales superconductores se manifestarán primero en la transmisión de energía de alta potencia a larga distancia. Mencionamos antes que el consumo actual de electricidad debido a la resistencia de la línea en el mundo solo representa alrededor del 20% de la generación total de energía mundial. Si se utilizan materiales superconductores en nuevos cables de transmisión, se ahorrará una gran cantidad de pérdida de energía eléctrica y desempeñará un papel enorme en la promoción del desarrollo social y económico.
El uso de bobinas superconductoras para almacenar energía es otra función importante de los materiales superconductores.
Según estimaciones de los expertos, el efecto de almacenamiento de energía de las bobinas superconductoras es de 100 a 1.000 veces mayor que el de las bobinas de alambre de cobre ordinarias refrigeradas por agua. Además, la bobina superconductora en sí no tiene pérdida de energía y solo consume una cierta cantidad de potencia de enfriamiento. En este sentido, un científico estadounidense ha experimentado con éxito. Este experimento dio a la gente una gran revelación: en la vida diaria, la gente siempre usa la mayor cantidad de electricidad durante el día y la noche, y usa menos electricidad durante la noche. ¡Sería fantástico si hubiera un gran "almacén" de energía para almacenar el exceso de energía a tiempo y liberarlo cuando se necesita con urgencia!
Así, los científicos propusieron la idea de almacenar energía mediante bobinas superconductoras:
Excaven un pozo de tres pisos con un diámetro de más de 100 metros de profundidad bajo tierra, y el pozo se equipado con helio líquido de temperatura ultrabaja, en el que se sumerge una bobina hecha de metal superconductor para crear un dispositivo de almacenamiento de energía superconductor. Si tiene exceso de electricidad, puede almacenarla en la bobina superconductora y utilizarla en cualquier momento cuando sea necesario. Como no pierde su resistencia, se puede almacenar durante mucho tiempo. Los científicos estiman que para entonces habrá en el mundo dispositivos superconductores capaces de almacenar 100 millones de kilovatios-hora de electricidad y la gente ya no se preocupará por el desequilibrio de la electricidad.
Otro uso muy prometedor de los materiales superconductores es la creación de trenes maglev. ¿Por qué los materiales superconductores son tan poderosos que pueden hacer levitar trenes que pesan decenas o cientos de toneladas? De hecho, la razón es muy sencilla. Cualquiera que haya jugado con imanes lo entenderá fácilmente. Cuando el polo norte (o sur) de un imán está cerca del polo sur (o norte) de otro imán, inmediatamente se atraen entre sí. Pero si el polo norte de un imán está cerca del polo norte de otro imán, nunca se juntarán. Incluso si se aprietan con fuerza, se desmoronarán cuando se suelten. Esto se debe a la fuerza repulsiva entre ellos. Los trenes Maglev se fabrican según el principio de que imanes similares se repelen entre sí.
Pero los imanes del tren maglev no son imanes ordinarios (es decir, imanes permanentes), sino electroimanes. El electroimán tiene en su exterior una bobina hecha de alambre metálico. Cuando una corriente eléctrica pasa a través de la bobina, el hierro crea una fuerza magnética. Una vez que se corta la energía en la bobina, el hierro pierde inmediatamente su magnetismo.
Hay dos tipos de bobinas de electroimán, una está hecha de alambre de cobre ordinario y la otra está hecha de alambre superconductor. Si se quiere hacer levitar un tren que pesa decenas o cientos de toneladas, la fuerza de repulsión entre los electroimanes debe ser de al menos decenas o cientos de toneladas. La fuerza de repulsión entre electroimanes está directamente relacionada con la corriente que pasa a través de la bobina electromagnética, es decir, sólo una gran corriente puede producir una gran fuerza magnética.
Pero el alambre de cobre común tiene resistencia. Cuando la corriente es alta, el cable de cobre se calentará y si la corriente es demasiado alta, el cable puede quemarse. Por tanto, la corriente a través de un conductor de cobre es limitada. Por ejemplo, un cable de cobre con un diámetro de 1 mm solo puede transmitir unos 6 amperios; de lo contrario, se sobrecalentará y se quemará.
Para que los conductores de cobre pasen más corriente, es necesario aumentar el diámetro de los conductores y agregar equipos de refrigeración. Esto aumentará el peso del propio tren maglev y no favorece el aumento del peso. velocidad de marcha del tren. ¿Cómo podemos reducir el peso del propio tren maglev para que el electroimán pueda generar una fuerza magnética enorme? Esto parecía una dificultad insuperable. Pero desde la aparición de los materiales superconductores, hay esperanzas de superar esta dificultad.
Debido a que los materiales superconductores no tienen resistencia, ninguna cantidad de corriente producirá calor Joule y no habrá pérdida causada por la resistencia. Por lo tanto, muchos países del mundo se apresuran a desarrollar trenes maglev superconductores. El tren maglev superconductor puede alcanzar una velocidad de 550 kilómetros por hora, similar a la velocidad de un avión civil común. Debido a que no toca los rieles, no hay fricción y solo la resistencia genera el aire. Si un tren maglev circula por un túnel de vacío, puede alcanzar una velocidad de 1.600 kilómetros por hora, más rápido que un avión supersónico. Pero construir un túnel de este tipo es muy difícil, por lo que no es fácil de lograr.