Príklad supravodivých materiálov

Supravodivý materiál je taký, ktorý vykazuje schopnosť viesť elektrickú energiu bez toho, aby za určitých podmienok predstavoval odpor alebo straty energie. Táto kvalita sa nazýva Supravodivosť a Objavil ju v roku 1911 Heike Kamerlingh Onnes.

Dospelo sa k záveru, že s poklesom teploty sa elektrický odpor kovového vodivého materiálu postupne zhoršuje; Avšak v obvykle používaných vodičoch, ako je meď Cu a striebro Ag, chyby, ako sú nečistoty, vytvárajú v látke maximálnu hodnotu. V prípade medi, aj pri absolútnej nule, sa zobrazuje nenulový odpor.

Keď sa materiál ochladí pod svoju kritickú teplotu, odpor supravodiča prudko poklesne na nulu. Elektrický prúd prúdiaci v supravodivom drôte môže bez zdroja energie pretrvávať donekonečna. Rovnako ako feromagnetizmus a atómové spektrálne čiary je aj supravodivosť javom kvantovej mechaniky.

Magnetický charakter supravodičov

Aj keď najvýznamnejšou vlastnosťou supravodičov je absencia odporu, nemožno povedať, že ide o materiál s nekonečnou vodivosťou. V skutočnosti je supravodivý materiál typu I dokonale diamagnetický

. Diamagnetizmus je kvalita materiálu, ktorá mu umožňuje odháňať magnetické polia. Na rozdiel od paramagnetizmu, ktorý spočíva v reakcii na príťažlivosť magnetických polí. To znamená, že neumožňuje prienik poľa, ktoré je známe ako Meissnerov efekt.

Magnetické polia rozlišujú dva typy supravodičov: typ I, ktoré neumožňujú prenikanie vonkajšieho magnetického poľa (čo vyžaduje vysoké energetické úsilie a znamená náhly rozpad supravodivého stavu, ak dôjde k prekročeniu kritickej teploty.) a tie typu II, ktoré sú nedokonalými supravodičmi, v zmysle že pole účinne preniká cez malé kanály nazývané Abrikosovove víry alebo fluxóny. Tieto dva typy supravodičov sú v skutočnosti dve rôzne fázy, ktoré predpovedali Lev Davidovich Landau a Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Keď sa na supravodič typu II aplikuje slabé vonkajšie magnetické pole, dokonale ho odpudzuje. Ak sa zvýši, systém sa stane nestabilným a začne zavádzať víry na zníženie svojej energie. Počet týchto vírov stále pribúda a umiestňujú sa do vírových sietí, ktoré možno pozorovať pomocou vhodných techník. Ak je pole dostatočne veľké, počet defektov je taký vysoký, že materiál už nie je supravodičom. Toto je kritické pole, ktoré bráni materiálu v supravodivosti a je závislé od teploty.

Elektrický charakter supravodičov

Vznik superdiamagnetizmu je spôsobený schopnosťou materiálu vytvárať superprúdy. Superprúdy sú prúdy elektrónov, v ktorých sa nerozptyľuje žiadna energia, takže je možné ich udržiavať navždy bez dodržania Jouleovho efektu straty energie v dôsledku vytvárania tepla. Prúdy vytvárajú silné magnetické pole potrebné na udržanie Meissnerovho javu. Tieto rovnaké prúdy umožňujú prenos energie bez výdaja energie, čo predstavuje najvýraznejší účinok tohto typu materiálov.

Pretože počet supravodivých elektrónov je konečný, množstvo prúdu, ktoré môže materiál uniesť, je obmedzené. Preto existuje kritický prúd, z ktorého materiál prestáva byť supravodivý a začne rozptyľovať energiu.

U supravodičov typu II to spôsobuje vznik fluxónov, a to aj pri nižších prúdoch Kriticky je detekovaný rozptýlenie energie v dôsledku kolízie vírov s atómami mriežky.

Vysokoteplotné supravodiče

Z dôvodu nízkych teplôt potrebných na dosiahnutie supravodivosti sú najbežnejšie materiály Zvyčajne sa chladia kvapalným héliom (tekutý dusík je vhodný iba pri manipulácii s vysokorýchlostnými supravodičmi). teplota). Požadovaná zostava je zložitá a nákladná a používa sa v niekoľkých aplikáciách, ako napríklad pri konštrukcii výkonných elektromagnetov pre nukleárnu magnetickú rezonanciu (NMR).

V 80. rokoch boli objavené vysokoteplotné supravodiče, ktoré vykazujú fázový prechod pri teplotách vyšších ako prechod kvapalina-para kvapalného dusíka. To znížilo náklady na štúdium týchto materiálov a otvorilo dvere k existencii materiálov supravodiče pri izbovej teplote, čo by znamenalo revolúciu v priemysle súčasného sveta.

Hlavnou nevýhodou vysokoteplotných supravodičov je ich keramické zloženie, ktoré ich robí nevhodnými na výrobu káblov plastickou deformáciou. Na výrobu pások však boli vyvinuté nové techniky, ako napríklad IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Touto technikou sa dosiahli káble s dĺžkou väčšou ako 1 kilometer.

Príklady aplikácií supravodičov

Supravodič sa správa veľmi odlišne od bežných vodičov. Nie je to vodič, ktorého odpor sa blíži k nule, ale odpor sa presne rovná nule. To sa nedá vysvetliť konvenčnými modelmi používanými pre bežné ovládače, ako je napríklad model Drude.

Supravodivé magnety sú jedny z najsilnejších známych magnetov. Používajú sa vo vlakoch maglev (magnetická levitácia), v prístrojoch na nukleárnu magnetickú rezonanciu (NMR) v nemocniciach a na zameranie lúča urýchľovača častíc. Môžu sa tiež použiť na magnetickú separáciu, kde slabé magnetické častice sú čerpané z pozadia menších alebo nemagnetických častíc, ako napríklad v priemysle pigmentov.

Supravodiče sa tiež používajú na výrobu digitálnych obvodov a vysokofrekvenčných a mikrovlnných filtrov pre základňové stanice mobilných telefónov.

Supravodiče sa používajú na stavbu križovatiek Josephson, ktoré sú stavebnými kameňmi budovy SQUIDs (Supravodivé kvantové interferenčné zariadenia), najznámejšie magnetometre citlivý.

V závislosti od prevádzkového režimu možno križovatku Josephson použiť ako detektor fotónov alebo ako mixér. Veľká zmena odporu voči prechodu z normálneho stavu do supravodivého sa používa na výrobu teplomerov v kryogénnych fotónových detektoroch.

Medzi inovatívne a výhľadové aplikácie patria vysoko výkonné transformátory, skladovanie energie, prenos elektrickej energie, elektrické motory a levitačné zariadenia magnetické.

Supravodivosť je však citlivá na pohybujúce sa magnetické polia, takže aplikácie to umožňujú použitie striedavého prúdu, napríklad transformátorov, bude náročnejšie ako pri napájaní prúdom pokračuj.

Príklady supravodivých materiálov

Môžu to byť kovy, ako napríklad:

1. Viesť
2. Cín
3. Zirkónium
4. Ortuť
5. Volfrám
6. Zinok
7. Iridium
8. Vanád
9. Titán
10. Lítium
11. Bárium
12. Berýlium
13. Kadmium
14. Chrome.

Môžu to byť nekovy alebo metaloidy, ako napríklad:

1. Bór
2. Vápnik
3. Uhlík
4. Kremík
5. Zápas
6. Kyslík
7. Síra
8. Selén
9. Arzén
10. Bróm
11. Indický
12. Tálium
13. Bizmut