Exempel på superledande material

Ett superledande material är ett som visar förmågan att leda elektrisk energi utan att uppvisa motstånd eller energiförluster under vissa förhållanden. Denna kvalitet kallas superledningsförmåga, och Det upptäcktes 1911 av Heike Kamerlingh Onnes.

Man har dragit slutsatsen att när temperaturen sjunker blir den elektriska resistiviteten hos ett metalliskt ledande material gradvis sämre; I de ledare som vanligtvis används, såsom koppar Cu och Silver Ag, defekter som föroreningar genererar ett takvärde i ämnet. När det gäller koppar, även nära absolut noll, visas ett icke-noll motstånd.

Motståndet hos en superledare sjunker kraftigt till noll när materialet svalnar under dess kritiska temperatur. En elektrisk ström som flyter i en supraledande ledning kan bestå på obestämd tid utan strömkälla. Liksom ferromagnetism och atomspektrallinjer är supraledning ett fenomen av kvantmekanik.

Magnetisk karaktär av supraledare

Även om superledare är den mest framstående egenskapen är frånvaron av motstånd, kan man inte säga att det är ett material med oändlig ledningsförmåga. Faktum är att ett superledande material av typ I är helt diamagnetiskt

. Diamagnetism är kvaliteten på ett material som gör det möjligt att driva bort magnetfält. I motsats till paramagnetism, som består av att reagera på magnetfältens attraktion. Detta innebär att det inte tillåter fältet att tränga igenom, vilket är känt som Meissner-effekten.

Magnetfält skiljer mellan två typer av supraledare: typ I, som inte tillåter att ett externt magnetfält tränger igenom (vilket medför en hög energiansträngning och innebär en plötslig bristning av det supraledande tillståndet om den kritiska temperaturen överskrids), och de av typ II, som är ofullkomliga superledare, i den meningen att fältet tränger effektivt in genom små kanaler som kallas Abrikosov-virvlar eller fluxoner. Dessa två typer av superledare är i själva verket två olika faser som förutspåddes av Lev Davidovich Landau och Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

När ett svagt externt magnetfält appliceras på en typ II superledare, stöter det bort det perfekt. Om det ökas blir systemet instabilt och börjar introducera virvlar för att minska dess energi. Dessa virvlar ökar i antal och placerar sig i virvelnätverk som kan observeras med lämplig teknik. När fältet är tillräckligt stort är antalet defekter så höga att materialet inte längre är en superledare. Detta är det kritiska fältet som hindrar ett material från att vara superledande, och det är temperaturberoende.

Elektrisk karaktär av supraledare

Framväxten av superdiamagnetism beror på materialets förmåga att skapa superströmmar. Superströmmar är strömmar av elektroner där ingen energi släpps ut, så att de kan bibehållas för alltid utan att lyda Joule-effekten av energiförlust på grund av värmeproduktion. Strömmarna skapar det starka magnetfält som är nödvändigt för att upprätthålla Meissner-effekten. Samma strömmar tillåter energi att överföras utan energiförbrukning, vilket representerar den mest framstående effekten av denna typ av material.

Eftersom antalet supraledande elektroner är begränsat är den ström som materialet kan bära begränsad. Därför finns det en kritisk ström från vilken materialet slutar vara superledande och börjar släppa energi.

I superledare typ II orsakar utseendet på fluxoner det, även för lägre strömmar Kritiskt detekteras en energiförlust på grund av kollisionen av virvlarna med gitteratomerna.

Superledare med hög temperatur

På grund av de låga temperaturer som behövs för att uppnå supraledning är de vanligaste materialen De kyls vanligtvis med flytande helium (flytande kväve är endast användbart vid hantering av höghastighets superledare). temperatur). Den erforderliga monteringen är komplex och dyr och används i få applikationer, såsom konstruktion av kraftfulla elektromagneter för kärnmagnetisk resonans (NMR).

På 80-talet upptäcktes de högtemperatur superledare, som uppvisar fasövergång vid temperaturer över vätske-ångövergången av flytande kväve. Detta har minskat kostnaderna för att studera sådana material och öppnat dörren till materialets existens superledare vid rumstemperatur, vilket skulle innebära en revolution i industrin i samtida världen.

Den största nackdelen med högtemperatur superledare är deras keramiska sammansättning, vilket gör dem olämpliga för tillverkning av kablar genom plastisk deformation. Nya tekniker har dock utvecklats för produktion av band som IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Genom denna teknik har kablar med längder över 1 kilometer uppnåtts.

Exempel på tillämpningar av superledare

En superledare beter sig mycket annorlunda än normala ledare. Det är inte en ledare vars motstånd är nära noll, men motståndet är exakt lika med noll. Detta kan inte förklaras med de konventionella modeller som används för vanliga drivrutiner, såsom Drude-modellen.

Superledande magneter är några av de mest kraftfulla elektromagneter som är kända. De används i maglevtåg (magnetisk levitation), i kärnmagnetisk resonansmaskiner (NMR) på sjukhus och i riktning mot strålen från en partikelaccelerator. De kan också användas för magnetisk separation, där svaga magnetiska partiklar dras från en bakgrund av mindre eller icke-magnetiska partiklar, som i pigmentindustrin.

Superledare har också använts för att skapa digitala kretsar och radiofrekvens- och mikrovågsfilter för mobiltelefonbasstationer.

Superledare används för att bygga Josephson-korsningar, som är byggstenarna för SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), de mest kända magnetometrarna känslig.

Beroende på driftläge kan en Josephson-korsning användas som en fotondetektor eller som en mixer. Den stora förändringen i motstånd mot övergången från det normala tillståndet till det supraledande tillståndet används för att bygga termometrar i kryogena fotondetektorer.

Innovativa och framåtblickande applikationer inkluderar transformatorer med hög prestanda, energilagring, elkraftöverföring, elmotorer och levitationsanordningar magnetisk.

Supraledning är dock känslig för rörliga magnetfält så att applikationer som använda växelström, såsom transformatorer, blir svårare att tillverka än de som matas med ström Fortsätt.

Exempel på superledande material

De kan vara metaller, såsom:

1. Leda
2. Tenn
3. Zirkonium
4. Kvicksilver
5. Volfram
6. Zink
7. Iridium
8. Vanadin
9. Titan
10. Litium
11. Barium
12. Beryllium
13. Kadmium
14. Krom.

De kan vara icke-metaller eller metalloider, såsom:

1. Bor
2. Kalcium
3. Kol
4. Kisel
5. Match
6. Syre
7. Svavel
8. Selen
9. Arsenik
10. Brom
11. Indisk
12. Tallium
13. Vismut