Voorbeeld van supergeleidende materialen

Een supergeleidend materiaal is een materiaal dat het vermogen toont om elektrische energie te geleiden zonder weerstand of energieverliezen onder bepaalde omstandigheden. Deze kwaliteit wordt supergeleiding genoemd, en Het werd in 1911 ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes.

Er is geconcludeerd dat, naarmate de temperatuur daalt, wordt de elektrische weerstand van een metallisch geleidend materiaal geleidelijk slechter; In de gewoonlijk gebruikte geleiders, zoals Copper Cu en Silver Ag, gebreken zoals onzuiverheden genereren een plafondwaarde in de stof. In het geval van koper, zelfs dicht bij het absolute nulpunt, wordt een weerstand getoond die niet nul is.

De weerstand van een supergeleider daalt scherp tot nul wanneer het materiaal afkoelt tot onder de kritische temperatuur. Een elektrische stroom die in een supergeleidende draad vloeit, kan zonder stroombron oneindig voortduren. Net als ferromagnetisme en atomaire spectraallijnen is supergeleiding een fenomeen van de kwantummechanica.

Magnetisch karakter van supergeleiders

Hoewel de meest opvallende eigenschap van supergeleiders de afwezigheid van weerstand is, kan niet worden gezegd dat het een materiaal is met oneindige geleidbaarheid. In feite is een type I supergeleidend materiaal perfect diamagnetisch. Diamagnetisme is de kwaliteit van een materiaal waarmee het magnetische velden kan verdrijven. In tegenstelling tot paramagnetisme, dat bestaat uit het reageren op de aantrekking van magnetische velden. Dit betekent dat het veld niet kan doordringen, wat bekend staat als het Meissner-effect.

Magnetische velden onderscheiden twee soorten supergeleiders: type I, die geen extern magnetisch veld laten doordringen (wat een hoge energetische inspanning met zich meebrengt, en impliceert de plotselinge afbraak van de supergeleidende toestand als de kritische temperatuur wordt overschreden), en die van type II, die onvolmaakte supergeleiders zijn, in de zin dat het veld dringt effectief door kleine kanalen die Abrikosov-wervelingen of fluxons worden genoemd. Deze twee soorten supergeleiders zijn in feite twee verschillende fasen die werden voorspeld door Lev Davidovich Landau en Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Wanneer een zwak extern magnetisch veld wordt toegepast op een type II supergeleider, stoot het dit perfect af. Als het wordt verhoogd, wordt het systeem onstabiel en begint het wervelingen te introduceren om zijn energie te verminderen. Deze wervels nemen in aantal toe en plaatsen zichzelf in vortexnetwerken die kunnen worden waargenomen met behulp van geschikte technieken. Als het veld groot genoeg is, is het aantal defecten zo hoog dat het materiaal geen supergeleider meer is. Dit is het kritieke veld dat voorkomt dat een materiaal supergeleidend is, en het is temperatuurafhankelijk.

Elektrisch karakter van supergeleiders

De opkomst van superdiamagnetisme is te wijten aan het vermogen van het materiaal om superstromen te creëren. Superstromen zijn stromen van elektronen waarin geen energie wordt gedissipeerd, zodat ze voor altijd kunnen worden gehandhaafd zonder te gehoorzamen aan het Joule-effect van energieverlies door warmteopwekking. De stromen creëren het sterke magnetische veld dat nodig is om het Meissner-effect in stand te houden. Deze zelfde stromen zorgen ervoor dat energie kan worden overgedragen zonder energieverbruik, wat het meest opvallende effect van dit soort materialen vertegenwoordigt.

Omdat het aantal supergeleidende elektronen eindig is, is de hoeveelheid stroom die het materiaal kan dragen beperkt. Daarom is er een kritische stroom waaruit het materiaal niet meer supergeleidend is en energie begint af te geven.

In type II supergeleiders zorgt het verschijnen van fluxonen ervoor dat, zelfs voor lagere stromen Kritisch is dat een energiedissipatie wordt gedetecteerd als gevolg van de botsing van de wervels met de atomen van het rooster.

Supergeleiders op hoge temperatuur

Vanwege de lage temperaturen die nodig zijn om supergeleiding te bereiken, zijn de meest voorkomende materialen: Ze worden meestal gekoeld met vloeibaar helium (vloeibare stikstof is alleen nuttig bij het hanteren van supergeleiders met hoge snelheid). temperatuur). De vereiste assemblage is complex en duur en wordt in weinig toepassingen gebruikt, zoals de constructie van krachtige elektromagneten voor nucleaire magnetische resonantie (NMR).

In de jaren 80 werden ze ontdekt hoge-temperatuur supergeleiders, die faseovergang vertonen bij temperaturen boven de vloeistof-dampovergang van vloeibare stikstof. Dit heeft de kosten bij de studie van dergelijke materialen verlaagd en de deur geopend naar het bestaan ​​van materialen supergeleiders bij kamertemperatuur, wat een revolutie zou betekenen in de industrie van de hedendaagse wereld.

Het grote nadeel van hoge-temperatuur-supergeleiders is hun keramische samenstelling, waardoor ze ongeschikt zijn voor het maken van kabels door plastische vervorming. Er zijn echter nieuwe technieken ontwikkeld voor de productie van tapes zoals IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Door deze techniek zijn kabels met een lengte van meer dan 1 kilometer gerealiseerd.

Voorbeelden van supergeleidertoepassingen

Een supergeleider gedraagt ​​zich heel anders dan normale geleiders. Het is geen geleider waarvan de weerstand bijna nul is, maar de weerstand is precies gelijk aan nul. Dit kan niet worden verklaard door de conventionele modellen die worden gebruikt voor gewone stuurprogramma's, zoals het Drude-model.

Supergeleidende magneten zijn enkele van de krachtigste elektromagneten die we kennen. Ze worden gebruikt in maglev-treinen (magnetische levitatie), in nucleaire magnetische resonantie (NMR)-machines in ziekenhuizen en bij het richten op de straal van een deeltjesversneller. Ze kunnen ook worden gebruikt voor magnetische scheiding, waarbij zwakke magnetische deeltjes worden getrokken uit een achtergrond van minder of niet-magnetische deeltjes, zoals in pigmentindustrieën.

Supergeleiders zijn ook gebruikt om digitale circuits en radiofrequentie- en microgolffilters voor basisstations voor mobiele telefoons te maken.

Supergeleiders worden gebruikt om Josephson-juncties te bouwen, de bouwstenen van SQUID's (Superconducting Quantum Interference Devices), de meest bekende magnetometers gevoelig.

Afhankelijk van de bedrijfsmodus kan een Josephson-junctie worden gebruikt als fotonendetector of als mixer. De grote verandering in weerstand tegen de overgang van de normale toestand naar de supergeleidende toestand wordt gebruikt om thermometers in cryogene fotondetectoren te bouwen.

Innovatieve en toekomstgerichte toepassingen zijn onder meer hoogwaardige transformatoren, energieopslag, elektrische krachtoverbrenging, elektromotoren en levitatie-apparaten magnetisch.

Supergeleiding is echter gevoelig voor bewegende magnetische velden, dus toepassingen die: het gebruik van wisselstroom, zoals transformatoren, zal moeilijker te maken zijn dan die welke met stroom worden gevoed ga door.

Voorbeelden van supergeleidende materialen

Het kunnen metalen zijn, zoals:

1. Lood
2. Blik
3. zirkonium
4. Kwik
5. Wolfraam
6. Zink
7. Iridium
8. Vanadium
9. Titanium
10. Lithium
11. Barium
12. Beryllium
13. Cadmium
14. Chroom.

Ze kunnen niet-metalen of metalloïden zijn, zoals:

1. borium
2. Calcium
3. Koolstof
4. Silicium
5. Bij elkaar passen
6. Zuurstof
7. Zwavel
8. Selenium
9. Arseen
10. Broom
11. Indisch
12. thallium
13. Bismut