Пример сверхпроводящих материалов

Сверхпроводящий материал - это материал, который демонстрирует способность проводить электрическую энергию без сопротивления или потерь энергии при определенных условиях. Это качество называется сверхпроводимостью, и Он был открыт в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннесом..

Был сделан вывод, что, по мере снижения температуры электрическое сопротивление металлического проводящего материала постепенно становится хуже; Однако в обычно используемых проводниках, таких как Copper Cu и Silver Ag, дефекты, такие как примеси, создают предельное значение в веществе. В случае меди, даже близко к абсолютному нулю, отображается ненулевое сопротивление.

Сопротивление сверхпроводника резко падает до нуля, когда материал остывает ниже своей критической температуры. Электрический ток, протекающий по сверхпроводящему проводу, может сохраняться бесконечно без источника питания. Подобно ферромагнетизму и атомным спектральным линиям, сверхпроводимость - это явление квантовой механики.

Магнитный характер сверхпроводников.

Хотя самым выдающимся свойством сверхпроводников является отсутствие сопротивления, нельзя сказать, что это материал с бесконечной проводимостью. Фактически, сверхпроводящий материал типа I идеально диамагнитен.. Диамагнетизм - это качество материала, которое позволяет ему отгонять магнитные поля. В отличие от парамагнетизма, который заключается в реакции на притяжение магнитных полей.. Это означает, что он не позволяет полю проникать, что известно как эффект Мейснера.

Магнитные поля различают два типа сверхпроводников: тип I, которые не позволяют проникать внешнему магнитному полю. (что влечет за собой большие энергетические затраты и подразумевает внезапный разрыв сверхпроводящего состояния при превышении критической температуры) и типа II, которые являются несовершенными сверхпроводниками, в смысле поле эффективно проникает через небольшие каналы, называемые вихрями Абрикосова или флюксонами.. Эти два типа сверхпроводников на самом деле являются двумя разными фазами, которые были предсказаны Львом Давидовичем Ландау и Алексеем Алексецих Абрикосовым.

Когда к сверхпроводнику II типа приложено слабое внешнее магнитное поле, оно идеально отталкивается. Если он увеличивается, система становится нестабильной и начинает вводить вихри, чтобы уменьшить свою энергию.. Число этих вихрей увеличивается, они образуют вихревые сети, которые можно наблюдать с помощью соответствующих методов. Когда поле достаточно велико, количество дефектов настолько велико, что материал больше не является сверхпроводником. Это критическое поле, которое не дает материалу быть сверхпроводящим, и оно зависит от температуры.

Электрический характер сверхпроводников

Возникновение супердиамагнетизма связано со способностью материала создавать сверхтоки. Сверхтоки - это токи электронов, в которых энергия не рассеивается, так что они могут поддерживаться вечно, не подчиняясь эффекту Джоуля потери энергии из-за выделения тепла. Токи создают сильное магнитное поле, необходимое для поддержания эффекта Мейснера. Эти же токи позволяют передавать энергию без затрат энергии, что представляет собой наиболее выдающийся эффект от материалов этого типа.

Поскольку количество сверхпроводящих электронов конечно, величина тока, который может переносить материал, ограничена. Следовательно, возникает критический ток, при котором материал перестает быть сверхпроводящим и начинает рассеивать энергию.

В сверхпроводниках II типа появление флюксонов приводит к тому, что даже при более низких токах Что особенно важно, обнаруживается диссипация энергии из-за столкновения вихрей с атомами решетки.

Высокотемпературные сверхпроводники

Из-за низких температур, необходимых для достижения сверхпроводимости, наиболее распространенными материалами являются Обычно они охлаждаются жидким гелием (жидкий азот используется только при работе с высокоскоростными сверхпроводниками). температура). Требуемый узел сложен и дорог и используется в нескольких приложениях, таких как создание мощных электромагнитов для ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

В 80-х их открыли высокотемпературные сверхпроводники, в которых наблюдается фазовый переход при температурах выше перехода жидкость-пар жидкого азота. Это снизило затраты на изучение таких материалов и открыло дверь к существованию материалов. сверхпроводники при комнатной температуре, что означало бы революцию в индустрии современного мира.

Самым большим недостатком высокотемпературных сверхпроводников является их керамический состав, что делает их непригодными для изготовления кабелей путем пластической деформации. Однако были разработаны новые методы производства лент, такие как IBAD (ионно-лучевое осаждение). С помощью этого метода были получены кабели длиной более 1 километра.

Примеры применения сверхпроводников

Сверхпроводник ведет себя совсем не так, как обычные проводники. Это не проводник, сопротивление которого близко к нулю, но сопротивление точно равно нулю. Это нельзя объяснить обычными моделями, используемыми для обычных драйверов, такими как модель Друде.

Сверхпроводящие магниты - одни из самых мощных известных электромагнитов. Они используются в поездах на магнитной левитации, в машинах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в больницах и для наведения луча ускорителя частиц. Их также можно использовать для магнитной сепарации, когда слабые магнитные частицы извлекаются из фона меньшего количества или немагнитных частиц, как в пигментной промышленности.

Сверхпроводники также использовались для изготовления цифровых схем и радиочастотных и микроволновых фильтров для базовых станций мобильных телефонов.

Сверхпроводники используются для создания джозефсоновских переходов, которые являются строительными блоками SQUID (сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства), наиболее известные магнитометры. чувствительный.

В зависимости от режима работы джозефсоновский переход может использоваться как детектор фотонов или как смеситель.. Большое изменение сопротивления переходу из нормального в сверхпроводящее состояние используется для создания термометров в криогенных детекторах фотонов.

Инновационные и перспективные приложения включают высокопроизводительные трансформаторы, накопители энергии, передача электроэнергии, электродвигатели и левитационные устройства магнитный.

Однако сверхпроводимость чувствительна к движущимся магнитным полям, поэтому приложения, которые использовать переменный ток, например трансформаторы, будет сложнее сделать, чем те, которые питаются током продолжать.

Примеры сверхпроводящих материалов

Это могут быть металлы, такие как:

1. Вести
2. Банка
3. Цирконий
4. Меркурий
5. Вольфрам
6. Цинк
7. Иридий
8. Ванадий
9. Титана
10. Литий
11. Барий
12. Бериллий
13. Кадмий
14. Хром.

Они могут быть неметаллами или металлоидами, например:

1. Бор
2. Кальций
3. Углерод
4. Кремний
5. Матч
6. Кислород
7. Сера
8. Селен
9. Мышьяк
10. Бром
11. Индийский
12. Таллий
13. Висмут