Eksempel på superledende materialer

Et superledende materiale er et, der viser evnen til at lede elektrisk energi uden at præsentere modstand eller energitab under visse betingelser. Denne kvalitet kaldes superledningsevne, og Det blev opdaget i 1911 af Heike Kamerlingh Onnes.

Det er konkluderet, når temperaturen falder, bliver den elektriske resistivitet af et metallisk ledende materiale gradvis dårligere; I de ledere, der normalt bruges, såsom kobber Cu og Silver Ag, defekter som urenheder genererer en loftværdi i stoffet. I tilfælde af kobber, selv i nærheden af ​​absolut nul, vises en ikke-nul modstand.

Modstanden fra en superleder falder skarpt til nul, når materialet afkøles under den kritiske temperatur. En elektrisk strøm, der strømmer i en superledende ledning, kan fortsætte på ubestemt tid uden en strømkilde. Ligesom ferromagnetisme og atomspektrallinjer er superledningsevne et fænomen af ​​kvantemekanik.

Magnetisk karakter af superledere

Selvom superledere er den mest fremragende egenskab er fraværet af modstand, kan det ikke siges, at det er et materiale med uendelig ledningsevne. Faktisk er et type I superledende materiale perfekt diamagnetisk

. Diamagnetisme er kvaliteten af ​​et materiale, der gør det muligt at drive magnetfelter væk. I modsætning til paramagnetisme, som består i at reagere på tiltrækning af magnetfelter. Dette betyder, at det ikke tillader marken at trænge igennem, hvilket er kendt som Meissner-effekten.

Magnetfelter skelner mellem to typer superledere: type I, som ikke tillader et eksternt magnetfelt at trænge ind (hvilket medfører en høj energisk indsats og indebærer en pludselig nedbrydning af den superledende tilstand, hvis den kritiske temperatur overskrides), og de af type II, som er ufuldkomne superlederei den forstand, at feltet trænger effektivt gennem små kanaler kaldet Abrikosov hvirvler eller fluxoner. Disse to typer superledere er faktisk to forskellige faser, der blev forudsagt af Lev Davidovich Landau og Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Når et svagt eksternt magnetfelt påføres en type II superleder, afviser det det perfekt. Hvis det øges, bliver systemet ustabilt og begynder at introducere hvirvler for at mindske dets energi. Disse hvirvler øges i antal og placerer sig i hvirvelnetværk, der kan observeres ved hjælp af passende teknikker. Når feltet er stort nok, er antallet af mangler så højt, at materialet ikke længere er en superleder. Dette er det kritiske felt, der forhindrer et materiale i at være superledende, og det er temperaturafhængigt.

Elektrisk karakter af superledere

Fremkomsten af ​​superdiamagnetisme skyldes materialets evne til at skabe superstrømme. Superstrømme er strømme af elektroner, hvor ingen energi spredes, så de kan opretholdes for evigt uden at adlyde Joule-effekten af ​​energitab på grund af varmeproduktion. Strømmene skaber det stærke magnetfelt, der er nødvendigt for at opretholde Meissner-effekten. De samme strømme gør det muligt at overføre energi uden energiforbrug, hvilket repræsenterer den mest fremragende effekt af denne type materialer.

Fordi antallet af superledende elektroner er begrænset, er mængden af ​​strøm, materialet kan bære, begrænset. Derfor er der en kritisk strøm, hvorfra materialet holder op med at være superledende og begynder at sprede energi.

I type II superledere forårsager udseendet af fluxoner det, selv for lavere strømme Kritisk detekteres en energispredning på grund af kollisionen af ​​hvirvlerne med gitterets atomer.

Høj temperatur superledere

På grund af de lave temperaturer, der er nødvendige for at opnå superledningsevne, er de mest almindelige materialer De afkøles normalt med flydende helium (flydende nitrogen er kun nyttigt ved håndtering af højhastigheds superledere). temperatur). Den krævede samling er kompleks og dyr og bruges i få applikationer, såsom konstruktion af kraftige elektromagneter til nuklear magnetisk resonans (NMR).

I 80'erne blev de opdaget højtemperatur superledere, som udviser faseovergang ved temperaturer over flydende-damp-overgangen af ​​flydende nitrogen. Dette har reduceret omkostningerne ved studiet af sådanne materialer og åbnet døren til eksistensen af ​​materialer superledere ved stuetemperatur, hvilket ville betyde en revolution i industrien i den moderne verden.

Den største ulempe ved højtemperatur superledere er deres keramiske sammensætning, hvilket gør dem uegnede til fremstilling af kabler ved plastisk deformation. Imidlertid er der udviklet nye teknikker til produktion af bånd som IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Gennem denne teknik er kabler med længder på mere end 1 kilometer blevet opnået.

Eksempler på anvendelser af superledere

En superleder opfører sig meget forskelligt fra normale ledere. Det er ikke en leder, hvis modstand er tæt på nul, men modstanden er nøjagtigt lig med nul. Dette kan ikke forklares med de konventionelle modeller, der bruges til almindelige drivere, såsom Drude-modellen.

Superledende magneter er nogle af de mest kraftfulde elektromagneter, der er kendt. De bruges i maglev-tog (magnetisk levitation), i kernemagnetisk resonans (NMR) -maskiner på hospitaler og til at målrette strålen fra en partikelaccelerator. De kan også bruges til magnetisk adskillelse, hvor svage magnetiske partikler trækkes fra en baggrund med mindre eller ikke-magnetiske partikler, som i pigmentindustrier.

Superledere er også blevet brugt til at fremstille digitale kredsløb og radiofrekvens- og mikrobølgefiltre til mobiltelefonbasestationer.

Superledere bruges til at bygge Josephson-kryds, som er byggestenene til SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), de mest kendte magnetometre følsom.

Afhængigt af driftstilstand kan et Josephson-kryds bruges som en fotondetektor eller som en mixer. Den store ændring i modstand mod overgangen fra normal tilstand til superledende tilstand bruges til at bygge termometre i kryogene fotondetektorer.

Innovative og fremadrettede applikationer inkluderer transformatorer med høj ydeevne, energilagring, transmission af elektrisk kraft, elektriske motorer og levitationsanordninger magnetisk.

Imidlertid er superledningsevne følsom over for bevægelige magnetfelter, så applikationer der brug af vekselstrøm, såsom transformere, vil være sværere at fremstille end dem, der får strøm Fortsæt.

Eksempler på superledende materialer

De kan være metaller, såsom:

1. At føre
2. Tin
3. Zirkonium
4. Kviksølv
5. Wolfram
6. Zink
7. Iridium
8. Vanadium
9. Titanium
10. Lithium
11. Barium
12. Beryllium
13. Cadmium
14. Chrome.

De kan være ikke-metaller eller metalloider, såsom:

1. Bor
2. Kalk
3. Kulstof
4. Silicium
5. Match
6. Ilt
7. Svovl
8. Selen
9. Arsen
10. Brom
11. Indisk
12. Thallium
13. Vismut