Beispiel für supraleitende Materialien

Chemie / by admin / July 04, 2021

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Ein supraleitendes Material ist eines, das unter bestimmten Bedingungen die Fähigkeit zeigt, elektrische Energie ohne Widerstand oder Energieverluste zu leiten. Diese Eigenschaft wird Supraleitung genannt, und Es wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes entdeckt.

Es wurde festgestellt, dass mit abnehmender Temperatur wird der spezifische elektrische Widerstand eines metallischen leitfähigen Materials allmählich schlechter; In den üblicherweise verwendeten Leitern, wie Kupfer Cu und Silber Ag, Mängel wie Verunreinigungen erzeugen einen Höchstwert im Stoff. Im Fall von Kupfer zeigt sich sogar in der Nähe des absoluten Nullpunkts ein Widerstand ungleich Null.

Der Widerstand eines Supraleiters sinkt stark auf Null, wenn das Material unter seine kritische Temperatur abkühlt. Ein elektrischer Strom, der in einem supraleitenden Draht fließt, kann ohne Stromquelle auf unbestimmte Zeit bestehen bleiben. Wie Ferromagnetismus und atomare Spektrallinien ist die Supraleitung ein Phänomen der Quantenmechanik.

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Magnetischer Charakter von Supraleitern

Obwohl die herausragendste Eigenschaft von Supraleitern die Widerstandsfreiheit ist, kann man nicht sagen, dass es sich um ein Material mit unendlicher Leitfähigkeit handelt. Tatsächlich ist ein supraleitendes Material vom Typ I perfekt diamagnetisch. Diamagnetismus ist die Eigenschaft eines Materials, magnetische Felder zu vertreiben. Im Gegensatz zum Paramagnetismus, der darin besteht, auf die Anziehung von Magnetfeldern zu reagieren. Dies bedeutet, dass es das Feld nicht durchdringen lässt, was als Meissner-Effekt bekannt ist.

Magnetfelder unterscheiden zwei Arten von Supraleitern: Typ I, die kein äußeres Magnetfeld durchdringen lassen (was einen hohen energetischen Aufwand mit sich bringt und bei Überschreiten der kritischen Temperatur den plötzlichen Zusammenbruch des supraleitenden Zustands zur Folge hat) und Typ II, die unvollkommene Supraleiter sind, in dem Sinne, dass das Feld durchdringt effektiv kleine Kanäle, die Abrikosov-Wirbel oder Fluxons genannt werden. Diese beiden Arten von Supraleitern sind in der Tat zwei verschiedene Phasen, die von Lev Davidovich Landau und Aleksey Alekséyecih Abrikosov vorhergesagt wurden.

Wenn ein schwaches externes Magnetfeld an einen Supraleiter vom Typ II angelegt wird, stößt es ihn perfekt ab. Wenn er erhöht wird, wird das System instabil und beginnt, Wirbel einzuführen, um seine Energie zu verringern. Diese Wirbel nehmen an Zahl zu und platzieren sich in Wirbelnetzwerken, die mit geeigneten Techniken beobachtet werden können. Wenn das Feld groß genug ist, ist die Anzahl der Defekte so hoch, dass das Material kein Supraleiter mehr ist. Dies ist das kritische Feld, das verhindert, dass ein Material supraleitend ist, und es hängt von der Temperatur ab.

Elektrischer Charakter von Supraleitern

Die Entstehung des Superdiamagnetismus ist auf die Fähigkeit des Materials zurückzuführen, Supraströme zu erzeugen. Supraströme sind Elektronenströme, bei denen keine Energie dissipiert wird, so dass sie für immer aufrechterhalten werden können, ohne dem Joule-Effekt des Energieverlustes durch Wärmeentwicklung zu folgen. Die Ströme erzeugen das starke Magnetfeld, das notwendig ist, um den Meissner-Effekt aufrechtzuerhalten. Dieselben Ströme ermöglichen die Übertragung von Energie ohne Energieaufwand, was die herausragendste Wirkung dieser Art von Materialien darstellt.

Da die Anzahl der supraleitenden Elektronen endlich ist, ist die Stromstärke, die das Material tragen kann, begrenzt. Daher gibt es einen kritischen Strom, ab dem das Material aufhört, supraleitend zu sein und Energie abzugeben beginnt.

In Supraleitern vom Typ II führt das Auftreten von Fluxonen dazu, dass selbst bei niedrigeren Strömen Kritisch wird eine Energiedissipation durch die Kollision der Wirbel mit den Atomen des Gitters festgestellt.

Hochtemperatur-Supraleiter

Aufgrund der niedrigen Temperaturen, die zum Erreichen der Supraleitung erforderlich sind, sind die gebräuchlichsten Materialien Sie werden in der Regel mit flüssigem Helium gekühlt (flüssiger Stickstoff ist nur beim Umgang mit Hochgeschwindigkeits-Supraleitern sinnvoll). Temperatur). Die erforderliche Montage ist aufwendig und teuer und wird nur in wenigen Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel beim Bau von leistungsstarken Elektromagneten für die Kernspinresonanz (NMR).

In den 80er Jahren wurden sie entdeckt Hochtemperatur-Supraleiter, die den Phasenübergang bei Temperaturen oberhalb des Flüssig-Dampf-Übergangs von flüssigem Stickstoff aufweisen. Dies hat die Kosten beim Studium solcher Materialien reduziert und die Tür zur Existenz von Materialien geöffnet opened Supraleiter bei Raumtemperatur, was eine Revolution in der Industrie der heutigen Welt bedeuten würde.

Der große Nachteil von Hochtemperatur-Supraleitern ist ihre keramische Zusammensetzung, die sie für die Herstellung von Kabeln durch plastische Verformung ungeeignet macht. Für die Herstellung von Bändern wurden jedoch neue Techniken wie IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) entwickelt. Durch diese Technik wurden Kabel mit Längen von mehr als 1 Kilometer erreicht.

Anwendungsbeispiele von Supraleitern

Ein Supraleiter verhält sich ganz anders als normale Leiter. Es ist kein Leiter, dessen Widerstand nahe Null ist, aber der Widerstand ist genau gleich Null. Dies lässt sich mit den herkömmlichen Modellen für gängige Treiber wie dem Drude-Modell nicht erklären.

Supraleitende Magnete gehören zu den stärksten bekannten Elektromagneten. Sie werden in Magnetschwebebahnen (Magnetschwebebahnen), in Kernspinresonanz(NMR)-Geräten in Krankenhäusern und beim Zielen des Strahls eines Teilchenbeschleunigers verwendet. Sie können auch für die magnetische Trennung verwendet werden, bei der schwach magnetische Partikel aus einem Hintergrund von weniger oder nicht magnetischen Partikeln gezogen werden, wie in der Pigmentindustrie.

Supraleiter wurden auch verwendet, um digitale Schaltungen und Hochfrequenz- und Mikrowellenfilter für Mobilfunkbasisstationen herzustellen.

Supraleiter werden verwendet, um Josephson-Kontakte aufzubauen, die die Bausteine von SQUIDs (Supraconductor Quantum Interference Devices), die bekanntesten Magnetometer empfindlich.

Je nach Betriebsart kann ein Josephson-Übergang als Photonendetektor oder als Mischer verwendet werden. Die große Widerstandsänderung beim Übergang vom normalen in den supraleitenden Zustand wird verwendet, um Thermometer in kryogenen Photonendetektoren zu bauen.

Innovative und zukunftsweisende Anwendungen umfassen Hochleistungstransformatoren, Energiespeicher, elektrische Kraftübertragung, Elektromotoren und Schwebevorrichtungen magnetisch.

Die Supraleitung reagiert jedoch empfindlich auf sich bewegende Magnetfelder, sodass Anwendungen, die Wechselstrom zu verwenden, wie z. B. Transformatoren, ist schwieriger herzustellen als solche, die mit Strom gespeist werden Mach weiter.