Příklad supravodivých materiálů

Supravodivý materiál je ten, který projevuje schopnost vést elektrickou energii, aniž by za určitých podmínek představoval odpor nebo energetické ztráty. Tato kvalita se nazývá Supravodivost a To bylo objeveno v roce 1911 Heike Kamerlingh Onnes.

Byl učiněn závěr, že jak se teplota snižuje, elektrický odpor kovového vodivého materiálu se postupně zhoršuje; U obvykle používaných vodičů, jako je měď Cu a stříbro Ag, vady, jako jsou nečistoty, generují v látce maximální hodnotu. V případě mědi, dokonce blízko absolutní nuly, je zobrazen nenulový odpor.

Odpor supravodiče prudce klesá na nulu, když materiál ochladí pod svou kritickou teplotu. Elektrický proud protékající supravodivým drátem může bez zdroje energie trvat neomezeně dlouho. Stejně jako feromagnetismus a atomové spektrální čáry je supravodivost fenoménem kvantové mechaniky.

Magnetický charakter supravodičů

Ačkoli nejvýznamnější vlastností supravodičů je absence odporu, nelze říci, že jde o materiál nekonečné vodivosti. Ve skutečnosti je supravodivý materiál typu I dokonale diamagnetický

. Diamagnetismus je kvalita materiálu, která mu umožňuje zahnat magnetická pole. Na rozdíl od paramagnetismu, který spočívá v reakci na přitažlivost magnetických polí. To znamená, že neumožňuje pole proniknout, což je známé jako Meissnerův efekt.

Magnetická pole rozlišují dva typy supravodičů: typ I, které neumožňují průnik vnějšího magnetického pole (což s sebou nese velké energetické úsilí a znamená to náhlý rozpad supravodivého stavu při překročení kritické teploty) a typu II, což jsou nedokonalé supravodiče, V tom smyslu, že pole účinně proniká malými kanály zvanými Abrikosovovy víry nebo fluxony. Tyto dva typy supravodičů jsou ve skutečnosti dvě různé fáze, které předpověděli Lev Davidovich Landau a Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Když je na supravodič typu II aplikováno slabé vnější magnetické pole, dokonale ho odpuzuje. Pokud se zvýší, systém se stane nestabilním a začne zavádět víry ke snížení své energie. Počet těchto vírů roste a umisťují se do vírových sítí, které lze pozorovat pomocí vhodných technik. Když je pole dostatečně velké, je počet defektů tak vysoký, že materiál již není supravodičem. Toto je kritické pole, které brání materiálu v supravodivosti a záleží na teplotě.

Elektrický charakter supravodičů

Vznik superdiamagnetismu je způsoben schopností materiálu vytvářet superproudy. Superproudy jsou proudy elektronů, ve kterých se nerozptyluje žádná energie, takže je lze udržovat navždy, aniž by bylo nutné dodržovat Jouleův efekt ztráty energie v důsledku tvorby tepla. Proudy vytvářejí silné magnetické pole nezbytné k udržení Meissnerova jevu. Stejné proudy umožňují přenos energie bez energetického výdeje, což představuje nejvýraznější účinek tohoto typu materiálů.

Protože počet supravodivých elektronů je konečný, množství proudu, které může materiál nést, je omezené. Existuje tedy kritický proud, ze kterého materiál přestává supravodit a začne rozptylovat energii.

U supravodičů typu II to způsobuje vznik fluxonů, a to i pro nižší proudy Kriticky je detekován rozptyl energie v důsledku kolize vírů s atomy mřížky.

Vysokoteplotní supravodiče

Vzhledem k nízkým teplotám potřebným k dosažení supravodivosti jsou nejběžnější materiály Obvykle jsou chlazeny kapalným heliem (kapalný dusík je užitečný pouze při manipulaci s vysokorychlostními supravodiči). teplota). Požadovaná sestava je složitá a nákladná a používá se v několika aplikacích, jako je konstrukce výkonných elektromagnetů pro nukleární magnetickou rezonanci (NMR).

V 80. letech byly objeveny vysokoteplotní supravodiče, které vykazují fázový přechod při teplotách nad přechodem kapalina-pára kapalného dusíku. To snížilo náklady na studium těchto materiálů a otevřelo dveře k existenci materiálů supravodiče při pokojové teplotě, což by znamenalo revoluci v průmyslu současného světa.

Největší nevýhodou vysokoteplotních supravodičů je jejich keramické složení, které je činí nevhodnými pro výrobu kabelů plastickou deformací. Byly však vyvinuty nové techniky pro výrobu pásek, jako je IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Touto technikou bylo dosaženo kabelů o délce větší než 1 kilometr.

Příklady aplikací supravodičů

Supravodič se chová velmi odlišně od normálních vodičů. Není to vodič, jehož odpor se blíží nule, ale odpor se přesně rovná nule. To nelze vysvětlit konvenčními modely používanými pro běžné ovladače, jako je například model Drude.

Supravodivé magnety jsou jedny z nejsilnějších známých elektromagnetů. Používají se ve vlacích maglev (magnetická levitace), ve strojích pro nukleární magnetickou rezonanci (NMR) v nemocnicích a při zaměřování paprsku urychlovače částic. Mohou být také použity pro magnetickou separaci, kde jsou slabé magnetické částice čerpány z pozadí méně nebo nemagnetických částic, jako v pigmentovém průmyslu.

Supravodiče se také používají k výrobě digitálních obvodů a vysokofrekvenčních a mikrovlnných filtrů pro základní stanice mobilních telefonů.

Supravodiče se používají k budování křižovatek Josephson, které jsou stavebními kameny SQUIDs (Supravodivá kvantová interferenční zařízení), nejznámější magnetometry citlivý.

V závislosti na provozním režimu lze křižovatku Josephson použít jako detektor fotonů nebo jako směšovač. Velká změna odporu vůči přechodu z normálního do supravodivého stavu se používá k výrobě teploměrů v kryogenních fotonových detektorech.

Mezi inovativní a výhledové aplikace patří vysoce výkonné transformátory, skladování energie, přenos elektrické energie, elektromotory a levitační zařízení magnetický.

Supravodivost je však citlivá na pohybující se magnetické pole, takže je to aplikace použití střídavého proudu, jako jsou transformátory, bude obtížnější než u těch, které jsou napájeny proudem pokračuj.

Příklady supravodivých materiálů

Mohou to být kovy, například:

1. Vést
2. Cín
3. Zirkonium
4. Rtuť
5. Wolfram
6. Zinek
7. Iridium
8. Vanadium
9. Titan
10. Lithium
11. Baryum
12. Berýlium
13. Kadmium
14. Chrome.

Mohou to být nekovy nebo metaloidy, například:

1. Bor
2. Vápník
3. Uhlík
4. Křemík
5. Zápas
6. Kyslík
7. Síra
8. Selen
9. Arsen
10. Bróm
11. indický
12. Thalium
13. Vizmut