Eksempel på superledende materialer

Et superledende materiale er et som manifesterer evnen til å lede elektrisk energi uten å presentere motstand eller energitap under visse forhold. Denne kvaliteten kalles superledningsevne, og Det ble oppdaget i 1911 av Heike Kamerlingh Onnes.

Det er konkludert med at, når temperaturen synker, blir den elektriske resistiviteten til et metallisk ledende materiale gradvis dårligere; Imidlertid i ledere som vanligvis brukes, som kobber Cu og Silver Ag, feil som urenheter genererer en takverdi i stoffet. I tilfelle kobber, til og med nær absolutt null, vises en ikke-null motstand.

Motstanden til en superleder synker kraftig til null når materialet avkjøles under den kritiske temperaturen. En elektrisk strøm som strømmer i en superledende ledning kan vare på ubestemt tid uten strømkilde. Som ferromagnetisme og atomspektrallinjer er superledningsevne et fenomen av kvantemekanikk.

Magnetisk karakter av superledere

Selv om superledere er den mest fremragende egenskapen er fraværet av motstand, kan det ikke sies at det er et materiale med uendelig ledningsevne. Faktisk er et type I superledende materiale perfekt diamagnetisk

. Diamagnetisme er kvaliteten på et materiale som gjør det mulig å drive magnetfelt bort. I motsetning til paramagnetisme, som består i å reagere på tiltrekningen av magnetfelt. Dette betyr at det ikke lar feltet trenge inn, som er kjent som Meissner-effekten.

Magnetfelt skiller mellom to typer superledere: type I, som ikke tillater at et eksternt magnetfelt trenger inn (som medfører en høy energiinnsats, og innebærer en plutselig sammenbrudd av superledende tilstand hvis den kritiske temperaturen overskrides), og type II, som er ufullkomne superledere, i den forstand at feltet trenger effektivt gjennom små kanaler kalt Abrikosov virvler, eller fluxons. Disse to typene superledere er faktisk to forskjellige faser som ble forutsagt av Lev Davidovich Landau og Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Når et svakt eksternt magnetfelt påføres en superleder type II, frastøter den det perfekt. Hvis det økes, blir systemet ustabilt og begynner å introdusere virvler for å redusere energien. Disse virvlene øker i antall og plasserer seg i hvirvelnettverk som kan observeres ved hjelp av passende teknikker. Når feltet er stort nok, er antall feil så høyt at materialet ikke lenger er en superleder. Dette er det kritiske feltet som hindrer et materiale i å være superledende, og det avhenger av temperaturen.

Elektrisk karakter av superledere

Fremveksten av superdiamagnetisme skyldes materialets evne til å skape superstrømmer. Superstrømmer er strømmer av elektroner der ingen energi blir spredt, slik at de kan opprettholdes for alltid uten å adlyde Joule-effekten av energitap på grunn av varmegenerering. Strømmene skaper det sterke magnetfeltet som er nødvendig for å opprettholde Meissner-effekten. Disse samme strømmer gjør at energi kan overføres uten energiforbruk, noe som representerer den mest fremragende effekten av denne typen materialer.

Fordi antallet superledende elektroner er endelig, er mengden strøm materialet kan bære begrenset. Derfor er det en kritisk strøm som materialet slutter å være superledende fra og begynner å spre energi.

I type II superledere forårsaker utseendet på fluxons det, selv for lavere strømmer Kritisk oppdages en energispredning på grunn av kollisjonen av virvler med gitterets atomer.

Superledere med høy temperatur

På grunn av de lave temperaturene som trengs for å oppnå superledningsevne, er de vanligste materialene De blir vanligvis avkjølt med flytende helium (flytende nitrogen er bare nyttig når du håndterer høyhastighets superledere). temperatur). Den nødvendige montering er kompleks og kostbar, og brukes i få applikasjoner, for eksempel konstruksjon av kraftige elektromagneter for kjernemagnetisk resonans (NMR).

På 80-tallet ble de oppdaget høytemperatur superledere, som viser faseovergangen ved temperaturer over væske-damp-overgangen av flytende nitrogen. Dette har redusert kostnadene ved studiet av slike materialer, og åpnet døren til eksistensen av materialer superledere ved romtemperatur, noe som vil bety en revolusjon i industrien i den moderne verden.

Den største ulempen med høytemperatur superledere er deres keramiske sammensetning, noe som gjør dem uegnet til å lage kabler ved plastisk deformasjon. Imidlertid er det utviklet nye teknikker for produksjon av bånd som IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Gjennom denne teknikken er kabler med lengder over 1 kilometer oppnådd.

Eksempler på anvendelser av superledere

En superleder oppfører seg veldig annerledes enn normale ledere. Det er ikke en leder hvis motstand er nær null, men motstanden er nøyaktig lik null. Dette kan ikke forklares med de konvensjonelle modellene som brukes til vanlige drivere, for eksempel Drude-modellen.

Superledende magneter er noen av de mest kraftige elektromagneter som er kjent. De brukes i maglev-tog (magnetisk levitasjon), i kjernemagnetisk resonans (NMR) -maskiner på sykehus og i målretting mot strålen til en partikkelakselerator. De kan også brukes til magnetisk separasjon, der svake magnetiske partikler er hentet fra en bakgrunn av mindre eller ikke-magnetiske partikler, som i pigmentindustrien.

Superledere har også blitt brukt til å lage digitale kretser og radiofrekvens- og mikrobølgefiltre for mobiltelefonbasestasjoner.

Superledere brukes til å bygge Josephson-kryss, som er byggesteinene til SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), de mest kjente magnetometre følsom.

Avhengig av driftsmodus kan et Josephson-kryss brukes som fotonetektor eller som mikser. Den store endringen i motstand mot overgangen fra normal tilstand til superledende tilstand brukes til å bygge termometre i kryogene fotondetektorer.

Innovative og fremtidsrettede applikasjoner inkluderer transformatorer med høy ytelse, energilagring, elektrisk kraftoverføring, elektriske motorer og levitasjonsenheter magnetisk.

Imidlertid er superledningsevne følsom for magnetiske felt i bevegelse slik at applikasjoner som bruk vekselstrøm, som for eksempel transformatorer, vil være vanskeligere å lage enn de som er matet med strøm Fortsett.

Eksempler på superledende materialer

De kan være metaller, for eksempel:

1. Lede
2. Tinn
3. Zirkonium
4. Kvikksølv
5. Wolfram
6. Sink
7. Iridium
8. Vanadium
9. Titan
10. Litium
11. Barium
12. Beryllium
13. Kadmium
14. Chrome.

De kan være ikke-metaller eller metalloider, for eksempel:

1. Bor
2. Kalsium
3. Karbon
4. Silisium
5. Kamp
6. Oksygen
7. Svovel
8. Selen
9. Arsenikk
10. Brom
11. Indisk
12. Tallium
13. Vismut