Παράδειγμα Υπεραγώγιμων Υλικών

Ένα υπεραγώγιμο υλικό είναι εκείνο που δείχνει την ικανότητα διεξαγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς να παρουσιάζει αντίσταση ή απώλειες ενέργειας υπό ορισμένες συνθήκες. Αυτή η ποιότητα ονομάζεται υπεραγωγιμότητα και Ανακαλύφθηκε το 1911 από τον Heike Kamerlingh Onnes.

Συμπεραίνεται ότι, Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, η ηλεκτρική αντίσταση ενός μεταλλικού αγώγιμου υλικού σταδιακά γίνεται φτωχή; Ωστόσο, στους αγωγούς που χρησιμοποιούνται συνήθως, όπως Copper Cu και Silver Ag, ελαττώματα όπως ακαθαρσίες δημιουργούν ανώτατη τιμή στην ουσία. Στην περίπτωση του Χαλκού, ακόμη και κοντά στο απόλυτο μηδέν, εμφανίζεται μια αντίσταση μη μηδέν.

Η αντίσταση ενός υπεραγωγού μειώνεται απότομα στο μηδέν όταν το υλικό ψύχεται κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία του. Ένα ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει σε ένα υπεραγώγιμο σύρμα μπορεί να παραμείνει επ 'αόριστον χωρίς πηγή ισχύος. Όπως ο σιδηρομαγνητισμός και οι ατομικές φασματικές γραμμές, η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο της κβαντικής μηχανικής.

Μαγνητικός χαρακτήρας υπεραγωγών

Αν και η πιο σημαντική ιδιότητα των υπεραγωγών είναι η απουσία αντίστασης, δεν μπορεί να ειπωθεί ότι είναι ένα υλικό άπειρης αγωγιμότητας. Στην πραγματικότητα, ένα υπεραγώγιμο υλικό τύπου Ι είναι απόλυτα διαμαγνητικό. Ο διαμαγνητισμός είναι η ποιότητα ενός υλικού που του επιτρέπει να απομακρύνει μαγνητικά πεδία. Σε αντίθεση με τον Παραμαγνητισμό, που συνίσταται στην αντίδραση στην έλξη μαγνητικών πεδίων. Αυτό σημαίνει ότι δεν επιτρέπει στο πεδίο να διεισδύσει, το οποίο είναι γνωστό ως το φαινόμενο Meissner.

Τα μαγνητικά πεδία διαφοροποιούν δύο τύπους υπεραγωγών: τύπο Ι, οι οποίοι δεν επιτρέπουν τη διείσδυση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (που συνεπάγεται υψηλή ενεργειακή προσπάθεια, και συνεπάγεται την ξαφνική ρήξη της υπεραγωγικής κατάστασης εάν υπερβεί την κρίσιμη θερμοκρασία), και εκείνων του τύπου II, που είναι ατελείς υπεραγωγούς, με την έννοια ότι το πεδίο διεισδύει αποτελεσματικά μέσω μικρών καναλιών που ονομάζονται στροβιλισμοί Abrikosov ή fluxons. Αυτοί οι δύο τύποι υπεραγωγών είναι στην πραγματικότητα δύο διαφορετικές φάσεις που είχαν προβλεφθεί από τους Lev Davidovich Landau και Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Όταν ένα ασθενές εξωτερικό μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται σε υπεραγωγό τύπου II, το απωθεί άψογα. Εάν αυξηθεί, το σύστημα γίνεται ασταθές και αρχίζει να εισάγει στροφές για να μειώσει την ενέργειά του. Αυτές οι στροφές αυξάνονται σε αριθμό, τοποθετώντας τους σε δίκτυα δίνης που μπορούν να παρατηρηθούν χρησιμοποιώντας κατάλληλες τεχνικές. Όταν το πεδίο είναι αρκετά μεγάλο, ο αριθμός των ελαττωμάτων είναι τόσο υψηλός που το υλικό δεν είναι πλέον υπεραγωγός. Αυτό είναι το κρίσιμο πεδίο που σταματά ένα υλικό από το να είναι υπεραγώγιμο και εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

Ηλεκτρικός χαρακτήρας υπεραγωγών

Η εμφάνιση του υπερδιαμαγνητισμού οφείλεται στην ικανότητα του υλικού να δημιουργεί υπερκείμενα. Τα υπερκείμενα ρεύματα είναι ρεύματα ηλεκτρονίων στα οποία δεν διασκορπίζεται ενέργεια, έτσι ώστε να μπορούν να διατηρηθούν για πάντα χωρίς να υπακούουν στο φαινόμενο Joule της απώλειας ενέργειας λόγω της παραγωγής θερμότητας. Τα ρεύματα δημιουργούν το ισχυρό μαγνητικό πεδίο που είναι απαραίτητο για τη διατήρηση του φαινομένου Meissner. Αυτά τα ίδια ρεύματα επιτρέπουν τη μετάδοση ενέργειας χωρίς ενεργειακή δαπάνη, η οποία αντιπροσωπεύει το πιο σημαντικό αποτέλεσμα αυτού του τύπου υλικών.

Επειδή ο αριθμός των υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων είναι πεπερασμένος, η ποσότητα ρεύματος που μπορεί να μεταφέρει το υλικό είναι περιορισμένη. Επομένως, υπάρχει ένα κρίσιμο ρεύμα από το οποίο το υλικό σταματά να είναι υπεραγώγιμο και αρχίζει να διαλύει την ενέργεια.

Στους υπεραγωγούς τύπου II, η εμφάνιση των fluxons προκαλεί αυτό, ακόμη και για χαμηλότερα ρεύματα Κρίσιμα, ανιχνεύεται απαγωγή ενέργειας λόγω της σύγκρουσης των στροφών με τα άτομα του πλέγματος.

Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας

Λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών που απαιτούνται για την επίτευξη υπεραγωγιμότητας, τα πιο κοινά υλικά είναι Συνήθως ψύχονται με υγρό ήλιο (το υγρό άζωτο είναι χρήσιμο μόνο όταν χειρίζεστε υπεραγωγούς υψηλής ταχύτητας). θερμοκρασία). Το απαιτούμενο συγκρότημα είναι πολύπλοκο και ακριβό, που χρησιμοποιείται σε λίγες εφαρμογές, όπως η κατασκευή ισχυρών ηλεκτρομαγνητών για πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR).

Στη δεκαετία του '80, ανακαλύφθηκαν υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, οι οποίοι εμφανίζουν μετάβαση φάσης σε θερμοκρασίες πάνω από τη μετάβαση υγρού-ατμού υγρού αζώτου. Αυτό μείωσε το κόστος στη μελέτη τέτοιων υλικών και άνοιξε την πόρτα στην ύπαρξη υλικών υπεραγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου, κάτι που θα σήμαινε επανάσταση στη βιομηχανία του σύγχρονου κόσμου.

Το κύριο μειονέκτημα των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας είναι η κεραμική τους σύνθεση, η οποία τους καθιστά ακατάλληλους για κατασκευή καλωδίων με πλαστική παραμόρφωση. Ωστόσο, έχουν αναπτυχθεί νέες τεχνικές για την παραγωγή ταινιών όπως το IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Μέσω αυτής της τεχνικής, έχουν επιτευχθεί καλώδια μήκους μεγαλύτερου του 1 χιλιομέτρου.

Παραδείγματα εφαρμογών υπεραγωγών

Ένας υπεραγωγός συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά από τους κανονικούς αγωγούς. Δεν είναι ένας αγωγός του οποίου η αντίσταση είναι κοντά στο μηδέν, αλλά η αντίσταση είναι ακριβώς ίση με το μηδέν. Αυτό δεν μπορεί να εξηγηθεί από τα συμβατικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για κοινούς οδηγούς, όπως το μοντέλο Drude.

Οι υπεραγωγοί μαγνήτες είναι μερικοί από τους πιο ισχυρούς γνωστούς ηλεκτρομαγνήτες. Χρησιμοποιούνται σε αμαξοστοιχίες maglev (μαγνητική ανύψωση), σε μηχανήματα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) σε νοσοκομεία και στοχεύουν στη δέσμη ενός επιταχυντή σωματιδίων. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για μαγνητικό διαχωρισμό, όπου αδύναμα μαγνητικά σωματίδια προέρχονται από φόντο μικρότερων ή μη μαγνητικών σωματιδίων, όπως στις βιομηχανίες χρωστικών ουσιών.

Υπεραγωγοί έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ψηφιακών κυκλωμάτων και ραδιοσυχνοτήτων και μικροκυμάτων φίλτρων για σταθμούς βάσης κινητού τηλεφώνου.

Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διασταυρώσεων Josephson, που αποτελούν τα δομικά στοιχεία του SQUIDs (υπεραγώγιμες συσκευές κβαντικής παρεμβολής), τα πιο γνωστά μαγνητόμετρα ευαίσθητος.

Ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας, μια σύνδεση Josephson μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ανιχνευτής φωτονίων ή ως μίξερ. Η μεγάλη αλλαγή στην αντίσταση στη μετάβαση από την κανονική κατάσταση στην υπεραγωγική κατάσταση χρησιμοποιείται για την κατασκευή θερμομέτρων σε κρυογονικούς ανιχνευτές φωτονίων.

Καινοτόμες και προσανατολισμένες εφαρμογές περιλαμβάνουν μετασχηματιστές υψηλής απόδοσης, αποθήκευση ενέργειας, μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας, ηλεκτρικοί κινητήρες και συσκευές ανύψωσης μαγνητικός.

Ωστόσο, η υπεραγωγιμότητα είναι ευαίσθητη σε κινούμενα μαγνητικά πεδία, έτσι ώστε να εφαρμόζονται Η χρήση εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως οι μετασχηματιστές, θα είναι πιο δύσκολο να γίνει από εκείνους που τροφοδοτούνται με ρεύμα συνέχισε.

Παραδείγματα Υπεραγώγιμων Υλικών

Μπορούν να είναι μέταλλα, όπως:

1. Οδηγω
2. Κασσίτερος
3. Ζιρκόνιο
4. Ερμής
5. Βολφράμιο
6. Ψευδάργυρος
7. Ιρίδιο
8. Βανάδιο
9. Τιτάνιο
10. Λίθιο
11. Βάριο
12. Βηρύλλιο
13. Κάδμιο
14. Χρώμιο.

Μπορούν να είναι μη μέταλλα ή μεταλλοειδή, όπως:

1. Βόριο
2. Ασβέστιο
3. Ανθρακας
4. Πυρίτιο
5. Αγώνας
6. Οξυγόνο
7. Θείο
8. Σελήνιο
9. Αρσενικό
10. Βρώμιο
11. Ινδός
12. Θάλλιο
13. Βισμούθιο