Esimerkki suprajohtavista materiaaleista

Suprajohtava materiaali on sellainen, joka osoittaa kyvyn johtaa sähköenergiaa aiheuttamatta vastustusta tai energiahäviöitä tietyissä olosuhteissa. Tätä laatua kutsutaan suprajohtavuudeksi ja Heike Kamerlingh Onnes löysi sen vuonna 1911.

On päätelty, että lämpötilan laskiessa metallin johtavan materiaalin sähköinen resistiivisyys heikkenee vähitellen; Kuitenkin yleensä käytetyissä johtimissa, kuten Copper Cu ja Silver Ag, viat, kuten epäpuhtaudet, tuottavat aineelle enimmäisarvon. Kuparin tapauksessa, jopa lähellä absoluuttista nollaa, näkyy nollasta poikkeava vastus.

Suprajohdon vastus putoaa voimakkaasti nollaan, kun materiaali jäähtyy kriittisen lämpötilan alapuolelle. Suprajohtavassa johtimessa virtaava sähkövirta voi jatkua loputtomasti ilman virtalähdettä. Samoin kuin ferromagnetismi ja atomispektrilinjat, suprajohtavuus on kvanttimekaniikan ilmiö.

Suprajohteiden magneettinen luonne

Vaikka suprajohteiden merkittävin ominaisuus on resistanssin puuttuminen, ei voida sanoa, että se olisi äärettömän johtavuuden materiaali. Itse asiassa tyypin I suprajohtava materiaali on täydellisesti diamagneettinen

. Diamagnetismi on materiaalin laatu, jonka avulla se voi ajaa pois magneettikentät. Toisin kuin paramagnetismi, joka koostuu reagoinnista magneettikenttien vetovoimaan. Tämä tarkoittaa, että se ei salli kentän tunkeutua, mikä tunnetaan Meissner-efektinä.

Magneettikentät erottavat kahdentyyppiset suprajohtimet: tyyppi I, jotka eivät salli ulkoisen magneettikentän tunkeutua (mikä edellyttää suurta energiaponnistusta ja suprajohtavan tilan äkillistä hajoamista, jos kriittinen lämpötila ylitetään) ja tyyppi II, jotka ovat epätäydellisiä suprajohteita, siinä mielessä kenttä tunkeutuu tehokkaasti pienillä kanavilla, joita kutsutaan Abrikosov-pyörteiksi tai fluxeiksi. Nämä kaksi suprajohdintyyppiä ovat itse asiassa kaksi erilaista vaihetta, jotka ennustivat Lev Davidovich Landau ja Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Kun tyypin II suprajohteeseen kohdistetaan heikko ulkoinen magneettikenttä, se torjuu sen täydellisesti. Jos sitä lisätään, järjestelmästä tulee epävakaa ja se alkaa tuottaa pyörteitä energiansa vähentämiseksi. Näiden pyörteiden lukumäärä kasvaa ja sijoittuu pyörreverkkoihin, jotka voidaan havaita sopivilla tekniikoilla. Kun kenttä on riittävän suuri, vikojen määrä on niin suuri, että materiaali ei ole enää suprajohde. Tämä on kriittinen kenttä, joka estää materiaalin suprajohtavuuden, ja se riippuu lämpötilasta.

Suprajohteiden sähköinen luonne

Superdiamagnetismin syntyminen johtuu materiaalin kyvystä luoda supervirtoja. Ylivirrat ovat elektronien virtauksia, joissa energiaa ei haihdu, jotta ne voidaan ylläpitää ikuisesti tottelematta lämmöntuotannosta johtuvaa energiahäviön Joule-vaikutusta. Virrat luovat vahvan magneettikentän, joka tarvitaan Meissner-vaikutuksen ylläpitämiseen. Nämä samat virrat mahdollistavat energian siirron ilman energiankulutusta, mikä edustaa tämän tyyppisten materiaalien merkittävintä vaikutusta.

Koska suprajohtavien elektronien määrä on rajallinen, materiaalin kuljettaman virran määrä on rajallinen. Siksi on kriittinen virta, josta materiaali lakkaa olemasta suprajohtava ja alkaa haihtaa energiaa.

Tyypin II suprajohteissa fluxien ulkonäkö aiheuttaa sen jopa pienemmillä virroilla Kriittisesti energian hajaantuminen havaitaan johtuen pyörteiden törmäyksestä hilan atomeihin.

Korkean lämpötilan suprajohteet

Suprajohtavuuden saavuttamiseksi tarvittavien matalien lämpötilojen vuoksi yleisimmät materiaalit ovat Ne jäähdytetään yleensä nestemäisellä heliumilla (nestemäinen typpi on hyödyllinen vain käsiteltäessä nopeita suprajohteita). lämpötila). Vaadittu kokoonpano on monimutkainen ja kallis, sitä käytetään harvoissa sovelluksissa, kuten voimakkaiden sähkömagneettien rakentaminen ydinmagneettista resonanssia (NMR) varten.

80-luvulla heidät löydettiin korkean lämpötilan suprajohteet, joiden faasimuutos tapahtuu nestemäisen typen neste-höyry-siirtymää korkeammissa lämpötiloissa. Tämä on vähentänyt tällaisten materiaalien tutkimisen kustannuksia ja avannut oven materiaalien olemassaololle suprajohteet huoneenlämmössä, mikä merkitsisi vallankumousta nykymaailman teollisuudessa.

Korkean lämpötilan suprajohteiden suurin haittapuoli on niiden keraaminen koostumus, mikä tekee niistä sopimattomia kaapeleiden valmistamiseen muovisen muodonmuutoksen avulla. Nauhojen tuotantoon on kuitenkin kehitetty uusia tekniikoita, kuten IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Tällä tekniikalla on saavutettu yli kilometrin pituiset kaapelit.

Esimerkkejä suprajohteiden sovelluksista

Suprajohde käyttäytyy hyvin eri tavalla kuin normaalit johtimet. Se ei ole johdin, jonka vastus on lähellä nollaa, mutta vastus on täsmälleen yhtä suuri kuin nolla. Tätä ei voida selittää tavallisissa ajureissa käytetyillä tavanomaisilla malleilla, kuten Drude-mallilla.

Suprajohtavat magneetit ovat eräitä tunnetuimmista sähkömagneeteista. Niitä käytetään maglev-junissa, magneettisen resonanssin (NMR) koneissa sairaaloissa ja hiukkaskiihdyttimen säteen kohdentamisessa. Niitä voidaan käyttää myös magneettierotukseen, jossa heikkoja magneettisia hiukkasia vedetään vähemmän tai ei-magneettisten hiukkasten taustasta, kuten pigmenttiteollisuudessa.

Suprajohteita on käytetty myös digitaalisten piirien sekä radiotaajuus- ja mikroaaltosuodattimien valmistamiseen matkapuhelinten tukiasemille.

Suprajohteita käytetään rakentamaan Josephsonin risteyksiä, jotka ovat rakennuspalikoita SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), tunnetuimmat magnetometrit herkkä.

Käyttötavasta riippuen Josephsonin risteystä voidaan käyttää fotonidetektorina tai sekoittimena. Suurta muutosta resistenssissä siirtymisestä normaalitilasta suprajohtavaan tilaan käytetään lämpömittareiden rakentamiseen kryogeenisissä fotonidetektoreissa.

Innovatiivisiin ja tulevaisuuteen suuntautuviin sovelluksiin kuuluvat suuritehoiset energian varastointi, sähkönsiirto, sähkömoottorit ja levitaatiolaitteet magneettinen.

Suprajohtavuus on kuitenkin herkkä liikkuville magneettikentille, joten sovellukset vaihtovirtaa, kuten muuntajia, on vaikeampaa tuottaa kuin niitä, joille syötetään virtaa pysy menossa.

Esimerkkejä suprajohtavista materiaaleista

Ne voivat olla metalleja, kuten:

1. Johtaa
2. Tina
3. Zirkonium
4. Elohopea
5. Volframi
6. Sinkki
7. Iridium
8. Vanadiini
9. Titaani
10. Litium
11. Barium
12. Beryllium
13. Kadmium
14. Kromi.

Ne voivat olla ei-metalleja tai metalloideja, kuten:

1. Boori
2. Kalsium
3. Hiili
4. Piin
5. Ottelu
6. Happi
7. Rikki
8. Seleeni
9. Arseeni
10. Bromi
11. intialainen
12. Tallium
13. Vismutti