Esempio di materiali superconduttori

Un materiale superconduttore è uno che mostra la capacità di condurre energia elettrica senza presentare resistenza o perdite di energia in determinate condizioni. Questa qualità è chiamata Superconduttività, e Fu scoperto nel 1911 da Heike Kamerlingh Onnes.

Si è concluso che, al diminuire della temperatura, la resistività elettrica di un materiale metallico conduttivo diminuisce gradualmente becomes; Tuttavia, nei conduttori solitamente utilizzati, come Rame Cu e Argento Ag, difetti come impurità generano un valore limite nella sostanza. Nel caso del Rame, anche vicino allo zero assoluto, viene mostrata una resistenza diversa da zero.

La resistenza di un superconduttore scende bruscamente a zero quando il materiale si raffredda al di sotto della sua temperatura critica. Una corrente elettrica che scorre in un filo superconduttore può persistere indefinitamente senza una fonte di alimentazione. Come il ferromagnetismo e le righe spettrali atomiche, la superconduttività è un fenomeno della meccanica quantistica.

Carattere magnetico dei superconduttori

Sebbene la proprietà più eccezionale dei superconduttori sia l'assenza di resistenza, non si può dire che sia un materiale di conduttività infinita. Infatti un materiale superconduttore di tipo I è perfettamente diamagnetico. Il diamagnetismo è la qualità di un materiale che gli consente di allontanare i campi magnetici. Contrariamente al Paramagnetismo, che consiste nel reagire all'attrazione dei campi magnetici. Ciò significa che non consente al campo di penetrare, il che è noto come effetto Meissner.

I campi magnetici differenziano due tipi di superconduttori: il tipo I, che non consente la penetrazione di un campo magnetico esterno (che comporta un elevato sforzo energetico, e implica l'improvvisa rottura dello stato superconduttore se viene superata la temperatura critica), e quelli di tipo II, che sono superconduttori imperfetti, nel senso che il campo penetra efficacemente attraverso piccoli canali chiamati vortici Abrikosov, o flussoni. Questi due tipi di superconduttori sono infatti due fasi diverse previste da Lev Davidovich Landau e Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Quando un debole campo magnetico esterno viene applicato a un superconduttore di tipo II, lo respinge perfettamente. Se aumenta, il sistema diventa instabile e inizia a introdurre vortici per diminuire la sua energia. Questi vortici stanno aumentando di numero, collocandosi in reti di vortici che possono essere osservate utilizzando tecniche appropriate. Quando il campo è abbastanza grande, il numero di difetti è così alto che il materiale non è più un superconduttore. Questo è il campo critico che impedisce a un materiale di essere superconduttore ed è dipendente dalla temperatura.

Carattere elettrico dei superconduttori

L'emergere del superdiamagnetismo è dovuto alla capacità del materiale di creare supercorrenti. Le supercorrenti sono correnti di elettroni in cui non viene dissipata energia, in modo che possano essere mantenute per sempre senza obbedire all'Effetto Joule della perdita di energia dovuta alla generazione di calore. Le correnti creano il forte campo magnetico necessario per sostenere l'effetto Meissner. Queste stesse correnti consentono la trasmissione dell'energia senza dispendio energetico, che rappresenta l'effetto più notevole di questo tipo di materiali.

Poiché il numero di elettroni superconduttori è finito, la quantità di corrente che il materiale può trasportare è limitata. Pertanto, esiste una corrente critica dalla quale il materiale smette di essere superconduttore e inizia a dissipare energia.

Nei superconduttori di tipo II, la comparsa di flussoni fa sì che, anche per correnti inferiori Criticamente, viene rilevata una dissipazione di energia dovuta alla collisione dei vortici con gli atomi del reticolo.

Superconduttori ad alta temperatura

A causa delle basse temperature necessarie per ottenere la superconduttività, i materiali più comuni sono Di solito sono raffreddati con elio liquido (l'azoto liquido è utile solo quando si maneggiano superconduttori ad alta velocità). temperatura). L'assemblaggio richiesto è complesso e costoso, essendo utilizzato in poche applicazioni, come la costruzione di potenti elettromagneti per risonanza magnetica nucleare (NMR).

Negli anni '80 furono scoperti superconduttori ad alta temperatura, che mostrano transizione di fase a temperature superiori alla transizione liquido-vapore dell'azoto liquido. Ciò ha ridotto i costi nello studio di tali materiali e ha aperto la porta all'esistenza dei materiali superconduttori a temperatura ambiente, il che significherebbe una rivoluzione nell'industria del mondo contemporaneo.

Il principale svantaggio dei superconduttori ad alta temperatura è la loro composizione ceramica, che li rende inadatti alla realizzazione di cavi mediante deformazione plastica. Tuttavia, sono state sviluppate nuove tecniche per la produzione di nastri come l'IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Con questa tecnica sono stati realizzati cavi di lunghezza superiore a 1 chilometro.

Esempi di applicazioni di superconduttori

Un superconduttore si comporta in modo molto diverso dai normali conduttori. Non è un conduttore la cui resistenza è prossima allo zero, ma la resistenza è esattamente uguale a zero. Ciò non può essere spiegato dai modelli convenzionali utilizzati per i driver comuni, come il modello Drude.

I magneti superconduttori sono alcuni degli elettromagneti più potenti conosciuti. Sono utilizzati nei treni a levitazione magnetica (maglev), nelle macchine a risonanza magnetica nucleare (NMR) negli ospedali e nel puntare il raggio di un acceleratore di particelle. Possono essere utilizzati anche per la separazione magnetica, dove le particelle magnetiche deboli vengono tratte da uno sfondo di particelle minori o non magnetiche, come nelle industrie dei pigmenti.

I superconduttori sono stati utilizzati anche per realizzare circuiti digitali e filtri per radiofrequenze e microonde per stazioni base di telefonia mobile.

I superconduttori sono usati per costruire giunzioni Josephson, che sono gli elementi costitutivi di SQUID (dispositivi di interferenza quantistica superconduttori), i magnetometri più conosciuti known sensibile.

A seconda della modalità operativa, una giunzione Josephson può essere utilizzata come rivelatore di fotoni o come mixer. Il grande cambiamento nella resistenza alla transizione dallo stato normale allo stato superconduttore viene utilizzato per costruire termometri nei rivelatori di fotoni criogenici.

Le applicazioni innovative e lungimiranti includono trasformatori ad alte prestazioni, accumulo di energia, trasmissione di energia elettrica, motori elettrici e dispositivi di levitazione magnetico.

Tuttavia, la superconduttività è sensibile ai campi magnetici in movimento, quindi le applicazioni che utilizzare corrente alternata, come i trasformatori, sarà più difficile da realizzare rispetto a quelli alimentati con corrente Continua così.

Esempi di materiali superconduttori

Possono essere metalli, come:

1. Condurre
2. Lattina
3. Zirconio
4. Mercurio
5. Tungsteno
6. Zinco
7. Iridio
8. Vanadio
9. Titanio
10. Litio
11. Bario
12. Berillio
13. Cadmio
14. Cromo.

Possono essere non metalli o metalloidi, come:

1. Boro
2. Calcio
3. Carbonio
4. Silicio
5. Incontro
6. Ossigeno
7. Zolfo
8. Selenio
9. Arsenico
10. Bromo
11. indiano
12. Tallio
13. Bismuto