Przykład materiałów nadprzewodzących

Materiał nadprzewodzący to taki, który wykazuje zdolność przewodzenia energii elektrycznej bez powodowania rezystancji lub strat energii w określonych warunkach. Ta jakość nazywa się nadprzewodnictwem i Został odkryty w 1911 roku przez Heike Kamerlingh Onnes.

Stwierdzono, że wraz ze spadkiem temperatury oporność elektryczna metalicznego materiału przewodzącego stopniowo staje się gorsza; Jednak w zwykle stosowanych przewodnikach, takich jak miedź Cu i srebro Ag, defekty, takie jak zanieczyszczenia, generują w substancji pułapową wartość. W przypadku miedzi, nawet bliski zera bezwzględnego, pokazana jest niezerowa rezystancja.

Rezystancja nadprzewodnika gwałtownie spada do zera, gdy materiał schładza się poniżej swojej temperatury krytycznej. Prąd elektryczny płynący w przewodzie nadprzewodzącym może trwać w nieskończoność bez źródła zasilania. Podobnie jak ferromagnetyzm i atomowe linie widmowe, nadprzewodnictwo jest zjawiskiem mechaniki kwantowej.

Magnetyczny charakter nadprzewodników

Chociaż najważniejszą właściwością nadprzewodników jest brak rezystancji, nie można powiedzieć, że jest to materiał o nieskończonej przewodności. W rzeczywistości nadprzewodnik typu I jest doskonale diamagnetyczny

. Diamagnetyzm to jakość materiału, która pozwala mu odpychać pola magnetyczne. W przeciwieństwie do paramagnetyzmu, który polega na reagowaniu na przyciąganie pól magnetycznych. Oznacza to, że nie pozwala na penetrację pola, co jest znane jako efekt Meissnera.

Pola magnetyczne rozróżniają dwa typy nadprzewodników: typ I, które nie przepuszczają zewnętrznego pola magnetycznego (co pociąga za sobą duży wysiłek energetyczny i implikuje nagłe zerwanie stanu nadprzewodzącego w przypadku przekroczenia temperatury krytycznej) i typu II, które są niedoskonałymi nadprzewodnikami, w tym sensie, że pole skutecznie przenika przez małe kanały zwane wirami Abrikosowa lub fluxonami. Te dwa typy nadprzewodników to w rzeczywistości dwie różne fazy, które przewidzieli Lev Davidovich Landau i Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Kiedy słabe zewnętrzne pole magnetyczne zostanie przyłożone do nadprzewodnika typu II, doskonale je odpycha. Jeśli zostanie zwiększona, system staje się niestabilny i zaczyna wprowadzać wiry, aby zmniejszyć swoją energię. Liczba tych wirów rośnie, umieszczając się w sieciach wirowych, które można obserwować przy użyciu odpowiednich technik. Gdy pole jest wystarczająco duże, liczba defektów jest tak duża, że ​​materiał przestaje być nadprzewodnikiem. Jest to krytyczne pole, które powstrzymuje materiał przed nadprzewodnictwem i jest zależne od temperatury.

Elektryczny charakter nadprzewodników

Pojawienie się superdiamagnetyzmu wynika ze zdolności materiału do tworzenia superprądów. Superprądy to prądy elektronów, w których nie jest rozpraszana żadna energia, dzięki czemu mogą być utrzymywane w nieskończoność bez przestrzegania efektu Joule'a utraty energii w wyniku wytwarzania ciepła. Prądy wytwarzają silne pole magnetyczne niezbędne do podtrzymania efektu Meissnera. Te same prądy umożliwiają przesyłanie energii bez wydatku energetycznego, co stanowi najwybitniejszy efekt tego typu materiałów.

Ponieważ liczba elektronów nadprzewodzących jest skończona, ilość prądu, jaki może przenosić materiał, jest ograniczona. Dlatego istnieje prąd krytyczny, z którego materiał przestaje być nadprzewodnikiem i zaczyna rozpraszać energię.

W nadprzewodnikach typu II pojawienie się fluksonu powoduje, że nawet przy niższych prądach Krytycznie wykrywane jest rozproszenie energii w wyniku zderzenia wirów z atomami sieci.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe

Ze względu na niskie temperatury potrzebne do uzyskania nadprzewodnictwa, najczęstszymi materiałami są: Zazwyczaj są one chłodzone ciekłym helem (ciekły azot jest przydatny tylko podczas pracy z nadprzewodnikami o dużej prędkości temperatura). Wymagany montaż jest skomplikowany i kosztowny, ponieważ jest używany w kilku zastosowaniach, takich jak budowa potężnych elektromagnesów do magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR).

W latach 80. zostały odkryte nadprzewodniki wysokotemperaturowe, które wykazują przemianę fazową w temperaturach powyżej przemiany ciecz-para ciekłego azotu. Zmniejszyło to koszty badania takich materiałów i otworzyło drzwi do istnienia materiałów nadprzewodniki w temperaturze pokojowej, co oznaczałoby rewolucję w przemyśle współczesnego świata.

Główną wadą nadprzewodników wysokotemperaturowych jest ich skład ceramiczny, który sprawia, że ​​nie nadają się one do wytwarzania kabli przez odkształcenie plastyczne. Opracowano jednak nowe techniki produkcji taśm, takie jak IBAD (osadzanie wspomagane wiązką jonową). Dzięki tej technice uzyskano kable o długości większej niż 1 kilometr.

Przykłady zastosowań nadprzewodników

Nadprzewodnik zachowuje się zupełnie inaczej niż normalne przewodniki. Nie jest to przewodnik, którego rezystancja jest bliska zeru, ale rezystancja jest dokładnie równa zeru. Nie da się tego wytłumaczyć konwencjonalnymi modelami używanymi dla zwykłych sterowników, takimi jak model Drude.

Magnesy nadprzewodzące to jedne z najpotężniejszych znanych elektromagnesów. Są one używane w pociągach maglev (lewitacji magnetycznej), w maszynach do magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) w szpitalach oraz do kierowania wiązki akceleratora cząstek. Mogą być również stosowane do separacji magnetycznej, gdzie słabe cząstki magnetyczne są pobierane z tła mniej lub niemagnetycznych cząstek, jak w przemyśle pigmentowym.

Nadprzewodniki są również wykorzystywane do tworzenia obwodów cyfrowych oraz filtrów częstotliwości radiowych i mikrofal do stacji bazowych telefonii komórkowej.

Nadprzewodniki są używane do budowy złącz Josephsona, które są budulcem SQUID (nadprzewodzące kwantowe urządzenia interferencyjne), najbardziej znane magnetometry wrażliwy.

W zależności od trybu pracy złącze Josephsona może być używane jako detektor fotonów lub jako mikser.. Duża zmiana oporu przy przejściu ze stanu normalnego do stanu nadprzewodzącego jest wykorzystywana do budowy termometrów w kriogenicznych detektorach fotonów.

Innowacyjne i przyszłościowe zastosowania obejmują wysokowydajne transformatory, magazynowanie energii, przesył energii elektrycznej, silniki elektryczne i urządzenia do lewitacji magnetyczny.

Jednak nadprzewodnictwo jest wrażliwe na poruszające się pola magnetyczne, więc aplikacje, które użycie prądu przemiennego, takiego jak transformatory, będzie trudniejsze do wykonania niż te, które są zasilane prądem tak trzymaj.

Przykłady materiałów nadprzewodzących

Mogą to być metale, takie jak:

1. Prowadzić
2. Cyna
3. Cyrkon
4. Rtęć
5. Wolfram
6. Cynk
7. Iryd
8. Wanad
9. Tytan
10. Lit
11. Bar
12. Beryl
13. Kadm
14. Chrom.

Mogą to być niemetale lub metaloidy, takie jak:

1. Bor
2. Wapń
3. Węgiel
4. Krzem
5. Mecz
6. Tlen
7. Siarka
8. Selen
9. Arsen
10. Brom
11. indyjski
12. Tal
13. Bizmut