ผู้ใช้:KittipongSup/กระบะทราย

การประยุกต์ใช้ตัวนำยวดยิ่ง

1

รถไฟฟ้าแมกเลฟhttps://en.wikipedia.org/wiki/Maglev สำหรับการขนส่งนี้ได้มีการนำตัวนำยวดยิ่งมาประยุกต์ใช้งานเป็นส่วนประกอบสำคัญใน รถยนต์ เรือ และรถไฟฟ้า โดยส่วนใหญ่ยังอยู่ในช่วงของการวิจัยและพัฒนา แต่ที่ก้าวหน้าไปไกลมากจนมีการใช้งานจริงแล้วในปัจจุบันคือ รถไฟฟ้าแมกเลฟ (MagLev) โดยMaglev ย่อมาจากคำว่า Magnetic Levitation เป็นพาหนะขนส่งที่มีความเร็วสูงโดยอาศัยแรงยกตัวลอยเหนือรางหรือเส้นทางวิ่งเนื่องจากสนามแม่เหล็ก จากการไม่มีแรงเสียดทานของการสัมผัสกันของตัวพาหนะและเส้นทางวิ่งจึงทำให้มีความต้องการพลังงานในการเคลื่อนที่น้อยและสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงได้ รวมถึงมีการเคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีเส้นแรงแม่เหล็กทำให้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าย้อนกลับมาใช้งานต่อได้ เนื่องจากไม่มีการใช้พลังงานจากน้ำมันหรือผลิตภัณฑ์จากน้ำมันจึงมีการผลิตสารที่ก่อให้เกิดมลพิษน้อย รวมถึงทำให้เกิดมลพิษทางเสียงที่น้อยตามไปด้วยและข้อสำคัญคือมีความปลอดภัยที่สูงมาก ดังนั้นรถไฟฟ้าแมกเลฟ จึงสมควรเป็นพาหนะสำหรับขนส่งในอนาคตจริงๆ เริ่มมีการกล่าวถึงรถไฟฟ้าแมกเลฟ ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่19 โดยอาศัยหลักการลอยตัวเหนือเส้นทางที่วิ่งที่เกิดจากการผลักกันของแม่เหล็กสองขั้วที่เหมือนกัน อย่างไรก็ตามการทำเช่นนี้ต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูง รวมถึงการลอยตัวเหนือราวที่เกิดจากการผลักกันของแม่เหล็กสองขั้วที่เหมือนกันจะทำให้เกิดการลอยตัวที่ไม่เสถียรภาพทำให้บรรทุกน้ำหนักได้น้อย การพัฒนาจึงไม่มีความก้าวหน้ามากนักในช่วงแรกๆ ต่อมาเมื่อมีการพัฒนาตัวนำยวดยิ่งขึ้นมาใช้ โดยอาศัยปรากฏการณ์ไมเนอร์ ทำให้เกิดการลอยตัวเหนือเส้นทางวิ่งทำให้สามารถลอยตัวอย่างมีเสถียรภาพมากยิ่งขึ้นและเนื่องจากมีสารหล่อเย็นที่ใช้อยู่สองชนิด คือ ฮีเลียมเหลวและไนโตรเจนเหลวที่มีจุดเดือด 4 เคลวินและ 77 เคลวิน ตามลำดับ ดังนั้นตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงกว่า 4 เคลวิน ก็สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้ การพัฒนารถไฟแมกเลฟจึงมีการพัฒนาไปได้อย่างคู่ขนานกับการค้นคว้าด้านและพัฒนาการของตัวนำยวดยิ่ง ซึ่งในปัจจุบันมีการค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงที่สามารถคงสภาพนำยวดยิ่งได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนคือ-196 องศาเซลเซียส(77 เคลวิน) ทำให้รถไฟฟ้าแมกเลฟมีการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดมีความสำเร็จอย่างน่าพอใจในห้องปฏิบัติการ จนในปัจจุบันได้มีการนำไปทำรถไฟฟ้าแมกเลฟเพื่อที่จะใช้ในการขนส่งในหลายประเทศ เช่น ญี่ปุ่น สหรัฐ และจีน โดยส่วนใหญ่อยู่ในระหว่างการวางแผนก่อสร้าง ในปี2005 ประเทศญี่ปุ่น สามารถสร้างรถไฟฟ้าแมกเลฟ ที่มีความเร็วสูงสุดประมาณ 361 ไมล์ต่อชั่วโมง หรือ เท่ากับ 581 กิโลเมตรต่อชั่วโมงเร็วกว่ารถแข่งสูตรหนึ่งที่มีความเร็วประมาณ 300-350 กิโลเมตรต่อชั่วโมง โดยมีความเร็วเป็นครึ่งหนึ่งของความเร็วของเครื่องบินโดยสารและมีการวางแผนสร้างรถไฟฟ้าแมกเลฟจากโตเกียวไปโอซากาเป็นระยะทาง 480 กิโลเมตรใช้เวลาวิ่งประมาณ 1 ชั่วโมง คาดว่าจะขนส่งคนประมาณ 100000 คนต่อวัน ในประเทศจีน ได้มีการเปิดการเดินรถไฟฟ้าแมกเลฟสายแรก คือ สายเซี่ยงไฮ้ ในปี 2545 โดยใช้เทคโนโลยีแบบเยอรมันมีความเร็วสูงสุด 430 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และในปัจจุบันประเทศจีนได้พัฒนารถไฟฟ้าแมกเลฟความเร็วต่ำประมาณ 150 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แต่มีการประหยัดพลังงานและมีมลพิษต่ำ เนื่องจากตัวนำยวดยิ่งเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการสร้างรถไฟแมกเลฟ การศึกษาหาความรู้ด้านตัวนำยวดยิ่งจึงมีความจำเป็นเพื่อสร้างความเข้าใจให้ประชาชน และถ้าในอนาคตจะมีการสร้างรถไฟฟ้าแมกเลฟขึ้นในประเทศไทย อย่างน้อยก็ทำให้สามารถตอบได้ว่าการที่รถไฟฟ้าลอยเหนือรางแล้ววิ่งด้วยความเร็วสูงมากๆรถไฟฟ้าสามารถลอยอยู่ได้โยไม่ตกรางอย่างแน่นอน

• 
  A maglev train coming out, Pudong International Airport,Shanghai
• 
  Birmingham International Maglev

2

เครื่อง MRIhttps://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging ตัวนำยวดยิ่งได้ถูกนำมาทำอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่สามารถช่วยวิเคราะห์โรคได้อย่างทรงประสิทธิภาพเครื่องมือที่บางท่านอาจจะได้เคยสัมผัสมาแล้ว ก็คือเครื่องMRIหรือ Magnetic Resonance Imaging โดย MRI คือเครื่องตรวจร่างกายด้วยการสร้างภาพเหมือนจริงของส่วนต่างๆของร่างกาย โดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูง เมื่อใส่สนามแม่เหล็กให้กับร่างกาย นิวเคลียสของอะตอมในร่างกายจะเข้าสู่สถานะถูกกระตุ้น และเมื่อหยุดให้สนามแม่เหล็ก นิวเคลียสของอะตอมจะเกิดการปลดปล่อยพลังงานเพื่อกลับคืนสู่สถานะปกติ เมื่อรับคลื่นความถี่ที่ปล่อยออกมา แล้วนำไปประมวลผลและสร้างเป็นภาพด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถให้รายละเอียดและความคมชัดเหมือนการตัดร่างกายออกเป็นแผ่นๆทำให้แพทย์สามารถมองจุดที่ผิดปกติในร่างกายคนเราได้อย่างละเอียด โดยที่ไม่ก่อให้เกิดอันตรายใดๆต่อผู้รับการตรวจ ในปี 1971 บลอช (Bloch) และ พัลเซล (Purcell) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันในการพัฒนาในเรื่องการ เรโซแนสของนิวเคลียสด้วยแม่เหล็ก NMR (Nuclear magnetic resonance) โดย NMR เป็นหลักการทางฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลัง MRI ซึ่งแมนส์ฟิล (Mansfield) และลัวเตอร์เบอร์ (Lauterbur) ได้พัฒนาเครื่อง NMR จนสามารถสร้างภาพร่างกายมนุษย์จากสัญญาณที่ได้จาก NMR ได้ ทำให้ทั้ง ลัวเตอร์เบอร์ และ แมนส์ฟิลได้รับรางวัลโนเบลสาขา การแพทย์ในปี 2003 MRI ชื่อเดิมคือ การสร้างภาพจากการเรโซแนสของนิวเคลียสด้วยแม่เหล็ก (Nuclear Magnetic Resonance Imaging) แต่ต้องมาเปลี่ยนชื่อมาเป็น Magnetic Resonance Imaging (MRI) เนื่องจากเกรงว่าคนทั่วไปจะเข้าใจผิดว่าใช้รังสี ซึ่งในความเป็นจริงมิได้เป็นเช่นนั้น เครื่อง MRI ถูกนำมาใช้ในทางการแพทย์อย่างแพร่หลายและรวดเร็วมาก เครื่อง MRI มีส่วนประกอบที่สำคัญคือ แม่เหล็กที่มีกำลังสูงมากซึ่งใช้ในการเปลี่ยนการเอียงตัวของสปินของนิวเคลียสให้มีการเอียงตัวตามทิศของสนามแม่เหล็กที่ให้ แล้วหลังจากนั้นก็หยุดให้สนามแม่เหล็กเพื่อให้นิวเคลียสเกิดการคายพลังงานเพื่อกลับสู่ตำแหน่งเดิม จับสัญญาณการคายพลังงานที่ได้ แล้วนำมาสังเคราะห์ภาพก็จะได้ภาพต่างๆในบริเวณที่ทำการศึกษา ดังนั้นสนามแม่เหล็กที่ใช้จึงจะต้องมีความเข้มสูงมากและต้องใช้เวลาสั้นมากๆเพื่อให้มีผลกระทบต่อการวัดน้อยที่สุดในระยะแรกได้ใช้การสร้างแม่เหล็กไฟฟ้า โดยใช้เส้นลวดทองแดงพันเป็นขดลวดมีน้ำหนักประมาณ 5 ตัน ได้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มไม่มากนักคือ ประมาณ 0.2 ถึง 1.0 เทสลา ต่อมาจึงมีการพัฒนาแม่เหล็กเป็นแบบ แม่เหล็กความเข้มสูง (Super magnet) โดยใช้ขดลวดซึ่งทำด้วยตัวนำยวดยิ่งแทน ให้แม่เหล็กที่มีความเข้มได้มากกว่า 2 เทสลา โดยมีขนาดขนาดแม่เหล็กไม่ใหญ่มากนัก โดยในระยะแรกจะใช้ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมในพวกสารประกอบคือโลหะผสมไนโอเบียมไททาเนียม(NbTi) ที่มีอุณหภูมิวิกฤติไม่สูงมากนักประมาณ 10 เคลวิน การทำงานต้องใช้ฮีเลียมเหลว และไนโตรเจนเหลวในการควบคุมอุณหภูมิ ปัจจุบันมีการนำเอาตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมาใช้ทำแม่เหล็กความเข้มสูงแทนตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ทำให้สามารถใช้งานได้สะดวกมากยิ่งขึ้น เนื่องจากตัวนำยวดยิ่งประเภทนี้มีอุณหภูมิวิกฤติประมาณ 90 เคลวิน สามารถใช้ไนโตรเจนเหลวเป็นสารหล่อเย็นได้ สามารถให้สนามแม่เหล็กได้สูงมากตั้งแต่ 2 เทสลา จนถึตัวอักษรหัวเรื่อง 10เทสลา ได้อย่างสบายๆ ทั้งนี้ขึ้นกับกระแสไฟฟ้าวิกฤตและสนามไฟฟ้าวิกฤตของตัวนำยวดยิ่ง

• 
  Looking through an MRI scanner
• Medical MRI scanner
  Medical MRI scanner

3

อุปกรณ์ตรวจจับสนามแม่เหล็ก squidhttps://en.wikipedia.org/wiki/SQUID สคิด(Squid)หรือ superconducting quantum interference devices เป็นอุปกรณ์ตรวจจับสนามแม่เหล็กที่มีความไวสูงมากสามารถวัดแม่เหล็กที่มีความเข้ม 5×〖10〗^(-18) เทสลาได้เป็นค่าที่ต่ำมากๆต่ำกว่าสนามแม่เหล็กที่เป็นพื้นฐานเสียอีก กล่าวคือ ร่างกายของสัตว์โดยทั่วไปจะมีการผลิตสนามแม่เหล็กที่น้อยโดยมีค่าอยู่ในระดับ. ถึง. เทสลา อุปกรณ์นี้มีหลักการทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์โจเซฟซัน ดังนั้น สคิด จึงมีสองแบบเช่นเดียวกับปรากฏการณ์โจเซฟซัน คือ สคิดกระแสตรง (DC Squid) และ สคิดกระแสสลับ(RF Squid) สคิดกระแสตรง ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในปี 1964 โดยโรเบิร์ต เจคเลวิส (Robert Jaklevic) จอนเจ แลมเบ (John J. Lembe) เจมส์ เมอร์ซีเรียล (James Mercereau) และ อาโนด ซิลเวอร์ (Arnold Silver) หลังจากโจเซฟสัน ได้นำเสนอปรากฏการณ์โจเซฟซันในปี 1962 เพียงสองปี โดยมีหลักการพื้นฐานอยู่บนปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสตรง มีรอยต่อโจเซฟซันสองรอยต่อที่ขนานกันทำให้เกิดวงรอบของตัวนำยวดยิ่ง สคิดกระแสสลับ ถูกสร้างขึ้นในปี 1965 โดย โรเบิร์ต เจคเลวิส จอน เจ แลมเบ อาโนด ซิลเวอร์และเจมป์ เอ็ดเวอร์ ไซเมอร์แมน(James Edward Zimmerman) โดยมีหลักการพื้นฐานจาก ปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสสลับ และใช้รอยต่อเพียงรอยต่อเดียว ทำให้มีความไวที่ต่ำกว่า สคิดกระแสตรง แต่ก็มีราคาที่ถูกกว่าและใช้งานได้สะดวกกว่า ในช่วงแรกๆตัวนำยวดยิ่งที่มาทำสคิด คือ ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมที่มีอุณหภูมิวิกฤติต่ำ เช่น ไนโอเบียม ตะกั่วอัลลอย อินเดียม ใช้ฮีเลียมเหลวเป็นสารหล่อเย็น ทำให้ไม่สะดวกในการใช้งาน ต่อมาได้มีการพัฒนามาใช้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงกลุ่ม Y-Ba-Cu-O มาทำสคิดทำให้สามารถใช้ไนโตรเจนเหลวในการรักษาความเย็นได้ แม้ว่าจะมีความไวที่น้อยกว่า สคิดที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม แต่ก็มีข้อดีในการใช้งานและค่าใช้จ่ายที่ถูกกว่า ทำให้สามารถนำไปใช้ประยุกต์ใช้งานได้สะดวกและแพร่หลายมากขึ้น มีการนำสคิด ไปใช้งานที่หลากหลาย เช่น ใช้ในการทหาร เป็นเครื่องตรวจจับเรือดำน้ำ หรือ เครื่องตรวจจับกับระตัวอักษรหัวเรื่องบิด เครื่องตรวจจับการทำงานของร่างกาย เครื่องตรวจจับการบกพร่องของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

• 
  Sensing element of the SQUID

4

มอเตอร์จากตัวนำยวดยิ่ง มอเตอร์คือเครื่องยนต์ที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล โดยอาศัยหลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้าตามหลักของฟาราเดย์ ดังนั้นมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงก็จะเป็นมอเตอร์ที่มีกำลังสูงด้วย แต่อย่างไรก็ดีการใช้ทองแดงเป็นตัวนำไฟฟ้าไม่สามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงมากได้ เนื่องจากมีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากความต้านทานของสายไฟ ดังนั้นมอเตอร์ที่มีกำลังมากขึ้น ต้องใช้สายทองแดงมากขึ้น จึงมีประสิทธิภาพที่ต่ำลง เมื่อมีการนำตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงมาใช้แทนทองแดงในมอเตอร์ พบว่าสามารถใช้สายไฟฟ้าที่น้อยลงและมีประสิทธิภาพที่มากขึ้นเนื่องจากตัวนำยวดยิ่งที่มีสภาพต้านทานไฟฟ้าต่ำมากๆดังนั้นมอเตอร์ชนิดนี้ก็จะมีประสิทธิภาพที่สูงมากขึ้นตามไปด้วย และที่กำลังสูงๆการใช้มอเตอร์ที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งก็จะมีการประหยัดพลังงานได้มากขึ้น และคาดว่าจะมีการผลิตมอเตอร์ที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งที่มีกำลังถึง 1000 แรงม้าได้ในไม่ช้า ซึ่งสามารถนำไปใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างแพร่หลาย รวมถึงมีการใช้ในเรือดำน้ำด้วย