Exemplu de materiale supraconductoare

Un material supraconductor este acela care arată capacitatea de a conduce energia electrică fără a prezenta rezistență sau pierderi de energie în anumite condiții. Această calitate se numește superconductivitate și A fost descoperit în 1911 de Heike Kamerlingh Onnes.

S-a ajuns la concluzia că, pe măsură ce temperatura scade, rezistivitatea electrică a unui material metalic conductiv devine treptat mai slabă; Cu toate acestea, în conductoarele utilizate de obicei, cum ar fi Cupru Cu și Silver Ag, defecte precum impuritățile generează o valoare plafon în substanță. În cazul cuprului, chiar aproape de zero absolut, este prezentată o rezistență diferită de zero.

Rezistența unui supraconductor scade brusc la zero atunci când materialul se răcește sub temperatura sa critică. Un curent electric care curge într-un fir supraconductor poate persista la nesfârșit fără o sursă de energie. La fel ca feromagnetismul și liniile spectrale atomice, supraconductivitatea este un fenomen al mecanicii cuantice.

Caracterul magnetic al supraconductorilor

Deși cea mai remarcabilă proprietate a supraconductorilor este absența rezistenței, nu se poate spune că este un material cu conductivitate infinită. De fapt, un material supraconductor de tip I este perfect diamagnetic. Diamagnetismul este calitatea unui material care îi permite să alunge câmpurile magnetice. Contrar paramagnetismului, care constă în reacția la atracția câmpurilor magnetice. Aceasta înseamnă că nu permite câmpului să pătrundă, ceea ce este cunoscut sub numele de efect Meissner.

Câmpurile magnetice diferențiază două tipuri de supraconductori: tipul I, care nu permit pătrunderea unui câmp magnetic extern (care presupune un efort energetic ridicat și implică ruperea bruscă a stării supraconductoare dacă se depășește temperatura critică), și cele de tip II, care sunt supraconductori imperfecți, in sensul că câmpul pătrunde efectiv prin canale mici numite vortexuri Abrikosov, sau fluxoni. Aceste două tipuri de supraconductori sunt de fapt două faze diferite care au fost prezise de Lev Davidovich Landau și Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Când un câmp magnetic extern slab este aplicat unui superconductor de tip II, acesta îl respinge perfect. Dacă este mărit, sistemul devine instabil și începe să introducă vârtejuri pentru a-și reduce energia. Aceste vortexuri cresc în număr, plasându-se în rețele de vortexuri care pot fi observate folosind tehnici adecvate. Când câmpul este suficient de mare, numărul defectelor este atât de mare încât materialul nu mai este un supraconductor. Acesta este câmpul critic care împiedică un material să fie supraconductor și este dependent de temperatură.

Caracterul electric al supraconductorilor

Apariția superdiamagnetismului se datorează capacității materialului de a crea supercurenți. Supracurenții sunt curenți de electroni în care nu se disipă energie, astfel încât să poată fi menținute pentru totdeauna fără a respecta Efectul Joule al pierderii de energie datorită generării de căldură. Curenții creează câmpul magnetic puternic necesar pentru a susține efectul Meissner. Aceiași curenți permit transmiterea energiei fără cheltuieli de energie, ceea ce reprezintă cel mai remarcabil efect al acestui tip de materiale.

Deoarece numărul de electroni supraconductori este finit, cantitatea de curent pe care o poate transporta materialul este limitată. Prin urmare, există un curent critic din care materialul încetează să fie supraconductor și începe să disipeze energia.

În superconductorii de tip II, apariția fluxonilor provoacă acest lucru, chiar și pentru curenții mai mici În mod critic, se detectează o disipare a energiei datorită coliziunii vârtejurilor cu atomii rețelei.

Supraconductori de temperatură înaltă

Datorită temperaturilor scăzute necesare pentru a atinge supraconductivitatea, cele mai comune materiale sunt De obicei, acestea sunt răcite cu heliu lichid (azotul lichid este util numai la manipularea supraconductoarelor de mare viteză). temperatura). Asamblarea necesară este complexă și costisitoare, fiind utilizată în puține aplicații, cum ar fi construcția de electro magneți puternici pentru rezonanță magnetică nucleară (RMN).

În anii 80, au fost descoperiți supraconductori de temperatură înaltă, care prezintă tranziție de fază la temperaturi peste tranziția lichid-vapori a azotului lichid. Acest lucru a redus costurile în studiul unor astfel de materiale și a deschis ușa existenței materialelor supraconductori la temperatura camerei, ceea ce ar însemna o revoluție în industria lumii contemporane.

Dezavantajul major al supraconductoarelor la temperaturi ridicate este compoziția ceramică a acestora, ceea ce le face improprii pentru realizarea cablurilor prin deformare plastică. Cu toate acestea, au fost dezvoltate noi tehnici pentru producția de benzi, cum ar fi IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Prin această tehnică s-au realizat cabluri cu lungimi mai mari de 1 kilometru.

Exemple de aplicații ale supraconductorilor

Un supraconductor se comportă foarte diferit de conductorii normali. Nu este un conductor a cărui rezistență este aproape de zero, dar rezistența este exact egală cu zero. Acest lucru nu poate fi explicat prin modelele convenționale utilizate pentru driverele obișnuite, cum ar fi modelul Drude.

Magneții supraconductori sunt unii dintre cei mai puternici electromagneti cunoscuți. Acestea sunt utilizate în trenurile maglev (levitație magnetică), în aparatele cu rezonanță magnetică nucleară (RMN) din spitale și în direcționarea fasciculului unui accelerator de particule. Ele pot fi, de asemenea, utilizate pentru separarea magnetică, unde particulele magnetice slabe sunt trase dintr-un fundal de particule mai mici sau nemagnetice, ca în industriile pigmentare.

Superconductorii au fost utilizați și pentru a realiza circuite digitale și filtre de frecvență radio și microunde pentru stațiile de bază ale telefonului mobil.

Superconductorii sunt utilizați pentru a construi joncțiuni Josephson, care sunt elementele de bază ale SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), cele mai cunoscute magnetometre sensibil.

În funcție de modul de funcționare, o joncțiune Josephson poate fi utilizată ca detector de fotoni sau ca mixer. Schimbarea mare a rezistenței la tranziția de la starea normală la starea supraconductoare este utilizată pentru a construi termometre în detectoarele de fotoni criogenici.

Aplicațiile inovatoare și orientate spre viitor includ transformatoare de înaltă performanță, stocarea energiei, transmisia energiei electrice, motoarele electrice și dispozitivele de levitație magnetic.

Cu toate acestea, supraconductivitatea este sensibilă la câmpurile magnetice în mișcare, astfel încât aplicațiile care utilizarea curentului alternativ, cum ar fi transformatoarele, va fi mai dificil de realizat decât cele care sunt alimentate cu curent continuă.

Exemple de materiale supraconductoare

Pot fi metale, cum ar fi:

1. Conduce
2. Staniu
3. Zirconiu
4. Mercur
5. Tungsten
6. Zinc
7. Iridiu
8. Vanadiu
9. Titan
10. Litiu
11. Bariu
12. Beriliu
13. Cadmiu
14. Crom.

Ele pot fi nemetale sau metaloizi, cum ar fi:

1. Bor
2. Calciu
3. Carbon
4. Siliciu
5. Meci
6. Oxigen
7. Sulf
8. Seleniu
9. Arsenic
10. Brom
11. indian
12. Taliu
13. Bismut