与20世纪的其他科学突破相比，超导是一个命运不容置疑的发现。 后者的结果很快找到了从理论到应用科学，再到日常生活的途径。 超导性不断要求科学家达到并克服某些限制：温度，化学物质，材料。 发现这种现象后的100多年，我们仍在与上世纪初科学家所面临的相同障碍作斗争。 我们也是东芝，对于我们对超导电性的研究和驯服所做的贡献，我们还有话要说。
什么是超导？我们如何发现它？
想象一下，您需要驾驶汽车通过一条非常糟糕的土路。 在温暖的季节，尤其是在下雨之后，它变成了沼泽。 车轮陷入泥泞，滑动，打滑，汽车左右行驶。 你的速度下降。 但是在秋天，在初霜时，泥浆变硬了，微风轻拂地沿着公路行驶，就像沿着高速公路一样。 这也是组成电流的电子，它们在温度变化时会穿过金属。 加热物质时，其原子结构会剧烈振荡，从而使电子难以移动。 原子从流中夺取电子并将其散射。 从“ A”点到“ B”点只有几步。 这会产生阻力。
但是，如果金属冷却到绝对零（–273°C），则其内部物质的振动（“热噪声”）会减少，电子通过时不会产生摩擦，也就是说，电阻会降至零。 这就是所谓的超导性。 从科学的角度来看这一切是如何工作的，在特殊和大众科学出版物的许多文章中都有介绍，例如，N + 1（带有有趣的图片）。
荷兰物理学家海克·卡默林·昂内斯（Heike Kammerling-Onnes）于1911年还不知道这种现象，尽管他已经知道金属的电阻随冷却而降低。 为了检查人们在玩冷，金属和电的游戏中能走多远，荷兰人使用了汞。 在那些日子里，正是这种金属从杂质中得到了更好的净化，这些杂质会干扰电子的运动。
随着温度降低到4.15开尔文，即–269°C，对汞的电阻完全消失了。 的确，坎默林·昂内斯（Kammerling-Onnes）不相信这一点，并在科学家的内心谨慎表示，在他的日记中写道，这种抵抗“实际上已经消失了”。 实际上，它是完全不存在的，只是没有像研究人员本人那样准备测量仪器。
随后，Kammerling-Onnes测试了许多金属的超导性，发现铅和锡具有这种性能。 他还发现了第一种由汞，金和锡组成的超导合金。 在极低温度下进行的实验中，这位科学家被昵称为“绝对零”。 但是保持如此高的等级并不容易-实验需要液态氦，当时当时稀缺，这使得Kammerling-Onnes无法发现导体的第二基本特性。
迈斯纳效应：先知的棺材会飞吗
以下神话在中世纪的欧洲很普遍：在麦加的其中一个宫殿中，先知穆罕默德的尸体上的铁制棺材so翔于空中，除了强大的磁铁外，别无其他。 来自伊斯兰世界各地的朝圣者来到那里看到这种奇观，他们在宗教狂喜中凝视着他们，因为他们相信自己将再也看不到生活中任何更美好的事物。
在14世纪加泰罗尼亚地图集的片段上，朝圣者在悬浮的棺材前跪下。 资料来源：Wikimedia Commons
实际上，先知不是埋在麦加，而是在麦地那。 棺材虽然装饰精美，却是木头制成的。 也没有发现磁铁，这是在19世纪经过检查的。 然后证明了永磁体领域中的铁磁体不能维持稳定的平衡。
但是，如果中世纪的编年史家在虚构的神话中幸存了一个世纪，那么他们将拥有一张强大的王牌。 1933年，德国物理学家Walter Meissner和Robert Oksenfeld决定测试磁场如何在超导体周围分布。 再一次，发现了一个出乎意料的发现：冷却至临界温度的超导体从其体积中推出了外部恒定磁场。 事实证明，流经超导体的电流会在物质的薄表层中产生磁场。 在超导状态下，该场的强度等于作用在其上的外部磁场。
如果先知的棺材是用磁铁制成的，并放置在由冷却至临界温度的超导体组成的洞穴中，那么正如中世纪的欧洲人所描述的那样，也许他真的会在空中ar翔。 无论如何，这种实验已经进行了很多次，而且规模较小，参与者较少。
如果在埋葬期间考虑了迈斯纳效应的所有条件，这就是先知的棺材如何悬浮。 资料来源：经验学校YouTube频道
迈斯纳效应的发现也帮助我们理解并非所有超导体都是相同的。 除了极少数的纯金属之外，合金中还会产生超导性。 但是，虽然在纯物质中，迈斯纳效应完全表现出来（I型超导体），但是在合金中，它却部分地表现出自身，因为它们不均匀（II型超导体）。 在它们中，磁场没有完全推出，而是沿着流过导体的超电流充满了空间。 正是随着他们的发现，才开始实际使用磁体形式的超导体。
特斯拉将为之骄傲：东芝如何创造世界上最强大的超导磁体
为了在1960年代之前降低临界温度，人类发现了许多第二类超导体，这些超导体已经可以用于工业目的并大规模使用。 这条道路上的第一个逻辑任务是创建超导磁体，该磁体应取代19世纪在普通金属的基础上发明的电磁体。
超导磁体可以通过更有效地利用电来创建更加稳定和强大的磁场。 1962年，开发了第一条铌和钛超导线材，并在同一年制造了第一块大型超导磁体。 它是由通用电气设计的。 他产生的田间力量达到10特斯拉。 为了进行比较：当今大多数医院的X线断层扫描仪产生的感应场为1至10T。
的确，尽管在科学和技术上取得了明显的成功，但第一个超导电磁铁却被证明是完全无利可图的。 通用电气公司的想法并非是与贝尔实验室的合同所规定的75,000美元，而是20万美元，尽管如此，1970年代的场电感竞赛仍在继续。 许多创新公司也加入其中，包括东芝。
然后，主要任务是了解超导磁体可以产生多强的磁场，因为该值越高，失去的超导性越快。 那时，东芝与东北大学一起创造了当时世界上最强大的超导磁体。 他产生了一个感应强度为12 T的磁场。 在东北大学，它被用于材料科学。
但是，普通电磁体在产生电磁场方面仍然能够超越其“后裔”。 到1970年代末，这些设备的上一代可以创建感应强度高达23.4 T的磁场，而超导磁体的磁场仅为17.5T。
1983年，东芝的工程师根据他们先前的发展创造了一种混合电磁体：将传统的电阻式电磁体放置在超导磁体内部，并在1986年横过他们的磁场，感应出31 T的电磁场。
当很明显我们可以达到很高的电磁场功率时，就出现了问题，但是如何使用已有的能量呢？ 在1980年代，东芝和其他许多公司一样，决定在“医学培训场”上将该技术商业化。
美好的光芒：东芝超导体如何帮助治疗癌症
在1980年代，很明显，使用超导体的电磁场进行的磁共振成像可以比新开发的计算机断层扫描技术和较旧的X射线提供更清晰的诊断。 东芝也承认这一点。 从那时起，该公司已成为医疗设备制造商的超导磁体供应商，并且一直保持至今。
东芝首批为MRI设计的超导磁体之一。 资料来源：东芝
但是，现代医疗设备正在变得混杂：它们不仅可以诊断，而且可以像使用重粒子的治疗设备一样对待。
它们的本质在于，它们会随着重粒子的加速运动而产生射线，这些重粒子会被发送到人体的肿瘤中。 为了精确地引导这种粒子束，需要强大的磁场。 以前已经使用过这样的机器，但是它们无法控制所产生粒子的路径，因此患者必须不断改变位置以使身体受影响的区域暴露于放射线，这对于癌症患者而言并不容易。
当时，东芝的工程师将超导磁体引入了龙门架，该龙门架是发射器的可移动环形部分，看起来像是门形的，能够迅速改变磁场强度。 这使得可以更准确地引导射线，并且机架的移动使患者在治疗过程中保持镇定。
用于处理重颗粒的设备。 旋转机架具有东芝超导电磁体。 资料来源：东芝未来发展：超导体的前三大应用前景
除医学外，当今的超导体还用于科学，能源和运输。 他们在不久的将来有什么前景？
高温超导体上的电线
从发现超导的最初几年开始，人类就一直在思考如何使用超导体传输电流。 常规的高压架空线占用大量空间，并且还会损失6-10％的传输能量。
实际上，起初，超导金属不适合使用，其化学性质不允许使用它们制造电线。 然后，随着II型超导体的发现，出现了有关其冷却的问题，这需要昂贵的氦气。 仅在1986年，才发现高温超导性，即发现了临界温度高于30开尔文的超导体。 这使得可以使用更便宜的氮气进行冷却，但是现在出现了一个问题，即如何在很大的范围内保持高导电状态，即低温（高温）。
现在在俄罗斯，中国，日本，韩国，欧洲和美国，有一些项目在制造长达1至10公里的超导电缆。 俄罗斯工程师取得了成功-去年，最长的超导直流电缆线的测试已经完成。 计划于2020年调试基于超导体Bi2Sr2Ca2Cu3O10 + x的原型，该原型长度为2.5 km，临界温度为–165°C。它将连接圣彼得堡的两个变电站。
高速运输
超导体产生强大而稳定的磁场的能力已在运输中得到应用。 在1970年代初期，制造了第一架磁垫火车原型（德国Transrapid 02），并在1984年，第一架商用麻瓜（用“磁悬浮”这个词）开始在伯明翰机场航站楼和城市火车站之间运行（直到1995年） ）
该技术的本质很简单：通过电磁场的作用将组合物固定在巷道上方。 她将火车向前推进-包含相同极的磁铁会排斥火车离开道路，并吸引不同的磁铁。 这种磁体的快速交替包含会在具有超导电磁体的腹板和列车之间产生恒定的间隙。 由于缺乏摩擦力，麻瓜可以加速到500-600公里/小时。
但是，尽管该技术相对简单，但并未得到广泛使用。 事实是它太昂贵了。 例如，上海麻瓜航空快运公司（自2004年投入商业运营）每年带来的亏损为9300万美元。
因此，在昂贵的航天项目中，超导体电磁场的应用可能更有希望。 应当使用相同的磁悬浮原理将货船发射到太空。 例如，Startram项目的开发者（估计费用为200亿美元）说，他们将通过建造一条针对低地球轨道的加速隧道（相对于目前从猎鹰9号上的SpaceX获得的2500美元），将把一公斤太空货物的运输成本降低至40美元。 ）
Startram项目中的加速隧道。 来源：Startram项目站点
聚变反应堆
超导磁体的另一个有希望的应用领域是热核反应堆。 需要它们来创建所谓的磁阱，以保持反应堆产生的等离子体。 带电粒子围绕磁力线旋转。 实际上，被磁化的等离子体变成了反磁铁，它倾向于离开磁场。 因此，如果用产生强磁场的超导磁体围绕等离子体，则等离子体将保持在给定的体积内，并且将无法破坏反应器的壁。
正是这种技术在法国建造了ITER聚变反应堆。 俄罗斯也参与了这个项目，正是她负责向法国供应超导电缆，以创造出一个非常“电磁场”来“驯服”等离子体的电磁场。 正如预期的那样，将在2025年反应堆首次发射期间对磁铁进行测试。
什么时候变暖？
尽管超导已有超过一个世纪的历史，但尚未实现所有物理学家和工程师的主要梦想-超导室温，这将使超导体在日常生活中尽可能广泛地使用。 该领域的最新记录是在2019年5月创下的：一个国际科学家小组尝试了一种奇特的化合物-氢化镧（LaH10）。 获得这种材料非常困难。 为此，需要高温和高压，这使得所生产的氢化镧样品在微观上很小。 但是，科学家能够验证这种材料如何与磁场相互作用。 在–23°C的温度下，他推出了一个磁场，证明了他的超导性。 到目前为止，这是我们所知道的最温暖的超导体。 但是，寻找更热的超导体并没有停止；它一直在继续。 一旦在该领域取得新的成功，我们将立即通知您。