ตัวอย่างวัสดุตัวนำยิ่งยวด

วัสดุตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุที่แสดงความสามารถในการนำไฟฟ้าโดยไม่แสดงความต้านทานหรือการสูญเสียพลังงานภายใต้เงื่อนไขบางประการ คุณภาพนี้เรียกว่า ตัวนำยิ่งยวด และ มันถูกค้นพบในปี 1911 โดย Heike Kamerlingh Onnes.

ได้ข้อสรุปว่า เมื่ออุณหภูมิลดลง ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุนำไฟฟ้าที่เป็นโลหะจะค่อยๆ ลดลง; อย่างไรก็ตาม ในตัวนำที่มักใช้ เช่น Copper Cu และ Silver Ag ข้อบกพร่องเช่นสิ่งเจือปนสร้างค่าเพดานในสาร. ในกรณีของทองแดง แม้จะใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ ความต้านทานที่ไม่เป็นศูนย์จะแสดงขึ้น

ความต้านทานของตัวนำยิ่งยวดลดลงอย่างรวดเร็วเป็นศูนย์เมื่อวัสดุเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต กระแสไฟฟ้าที่ไหลในลวดตัวนำยิ่งยวดสามารถคงอยู่ได้โดยไม่มีกำหนดแหล่งพลังงาน ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ของกลศาสตร์ควอนตัม เช่นเดียวกับสนามแม่เหล็กและเส้นสเปกตรัมของอะตอม

ลักษณะแม่เหล็กของตัวนำยิ่งยวด

แม้ว่าคุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของตัวนำยิ่งยวดคือการไม่มีความต้านทาน แต่ก็ไม่สามารถกล่าวได้ว่าเป็นวัสดุของการนำไฟฟ้าที่ไม่มีที่สิ้นสุด อันที่จริง วัสดุตัวนำยิ่งยวดประเภท I นั้นเป็นไดแม่เหล็กอย่างสมบูรณ์. Diamagnetism คือคุณภาพของวัสดุที่ช่วยให้สามารถขับสนามแม่เหล็กออกไปได้ ตรงกันข้ามกับพาราแมกเนติกซึ่งประกอบด้วยปฏิกิริยาต่อแรงดึงดูดของสนามแม่เหล็ก

. ซึ่งหมายความว่าไม่อนุญาตให้เจาะสนามซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์ Meissner

สนามแม่เหล็กแยกความแตกต่างของตัวนำยิ่งยวดสองประเภท: ประเภทที่ 1 ซึ่งไม่อนุญาตให้สนามแม่เหล็กภายนอกทะลุ (ซึ่งใช้ความพยายามพลังงานสูงและหมายถึงการแตกของสถานะตัวนำยิ่งยวดอย่างกะทันหันหากเกินอุณหภูมิวิกฤต) และประเภท II ซึ่งเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ไม่สมบูรณ์ในแง่ที่ว่า ฟิลด์แทรกซึมผ่านช่องเล็ก ๆ ที่เรียกว่า Abrikosov vortices หรือ fluxons. ได้อย่างมีประสิทธิภาพ. ตัวนำยิ่งยวดสองประเภทนี้อันที่จริงแล้วเป็นสองขั้นตอนที่แตกต่างกันซึ่ง Lev Davidovich Landau และ Aleksey Alekséyecih Abrikosov ทำนายไว้

เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกที่อ่อนแรงถูกนำไปใช้กับตัวนำยิ่งยวดประเภท II มันจะขับไล่มันอย่างสมบูรณ์ หากเพิ่มขึ้น ระบบจะไม่เสถียรและเริ่มสร้างกระแสน้ำวนเพื่อลดพลังงาน. กระแสน้ำวนเหล่านี้มีจำนวนเพิ่มขึ้น โดยวางตัวเองในเครือข่ายกระแสน้ำวนที่สามารถสังเกตได้โดยใช้เทคนิคที่เหมาะสม เมื่อสนามมีขนาดใหญ่เพียงพอ จำนวนข้อบกพร่องจะสูงมากจนวัสดุไม่เป็นตัวนำยิ่งยวดอีกต่อไป นี่คือสนามวิกฤติที่หยุดวัสดุไม่ให้เป็นตัวนำยิ่งยวด และขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ลักษณะทางไฟฟ้าของตัวนำยิ่งยวด

การเกิดขึ้นของ superdiamagnetism นั้นเกิดจากความสามารถของวัสดุในการสร้างกระแสยิ่งยวด กระแสยิ่งยวดคือกระแสของอิเล็กตรอนที่ไม่มีพลังงานใดถูกกระจายออกไป เพื่อให้สามารถคงรักษาไว้ได้ตลอดไปโดยไม่ต้องปฏิบัติตามผลของจูลของการสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากการสร้างความร้อน กระแสน้ำจะสร้างสนามแม่เหล็กแรงสูงซึ่งจำเป็นต่อการรักษาเอฟเฟกต์ไมส์เนอร์ กระแสเดียวกันนี้ทำให้สามารถส่งพลังงานได้โดยไม่ต้องใช้พลังงาน ซึ่งเป็นผลที่โดดเด่นที่สุดของวัสดุประเภทนี้

เนื่องจากจำนวนอิเลคตรอนตัวนำยิ่งยวดมีจำกัด ปริมาณกระแสที่วัสดุสามารถบรรทุกได้จึงมีจำกัด ดังนั้นจึงมีกระแสวิกฤตที่วัสดุหยุดการเป็นตัวนำยิ่งยวดและเริ่มกระจายพลังงาน

ในตัวนำยิ่งยวดประเภท II การปรากฏตัวของฟลักซ์ออนทำให้เกิดกระแสน้ำที่ต่ำกว่า วิกฤตการณ์การกระจายพลังงานถูกตรวจพบเนื่องจากการชนกันของกระแสน้ำวนกับอะตอมของโครงตาข่าย

ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

เนื่องจากต้องใช้อุณหภูมิต่ำเพื่อให้ได้ตัวนำยิ่งยวด วัสดุที่พบบ่อยที่สุดคือ most โดยปกติแล้วจะระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว (ไนโตรเจนเหลวมีประโยชน์เฉพาะเมื่อจัดการกับตัวนำยิ่งยวดความเร็วสูง) อุณหภูมิ). การประกอบที่ต้องการนั้นซับซ้อนและมีราคาแพง โดยถูกนำไปใช้งานเพียงไม่กี่อย่าง เช่น การสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าอันทรงพลังสำหรับเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR)

ในยุค 80 พวกเขาถูกค้นพบ ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ซึ่งแสดงการเปลี่ยนเฟสที่อุณหภูมิสูงกว่าการเปลี่ยนแปลงของไอของเหลวของไนโตรเจนเหลว. ซึ่งช่วยลดต้นทุนในการศึกษาวัสดุดังกล่าว และเปิดประตูสู่การมีอยู่ของวัสดุ ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องซึ่งจะหมายถึงการปฏิวัติในอุตสาหกรรมของโลกร่วมสมัย

ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงคือองค์ประกอบเซรามิกซึ่งทำให้ไม่เหมาะสำหรับการทำสายเคเบิลโดยการเปลี่ยนรูปพลาสติก อย่างไรก็ตาม มีการพัฒนาเทคนิคใหม่ๆ สำหรับการผลิตเทป เช่น IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) ด้วยเทคนิคนี้ ทำให้ได้สายเคเบิลที่มีความยาวมากกว่า 1 กิโลเมตร

ตัวอย่างการใช้งานของตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำยิ่งยวดมีพฤติกรรมแตกต่างจากตัวนำทั่วไปมาก ไม่ใช่ตัวนำที่มีความต้านทานใกล้กับศูนย์ แต่ความต้านทานมีค่าเท่ากับศูนย์ สิ่งนี้ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยรุ่นทั่วไปที่ใช้สำหรับไดรเวอร์ทั่วไป เช่น รุ่น Drude

แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลังที่สุดบางส่วนที่รู้จัก พวกมันถูกใช้ในรถไฟแม็กเลฟ (การลอยด้วยคลื่นแม่เหล็ก) ในเครื่องจักรนิวเคลียร์เรโซแนนซ์เรโซแนนซ์แม่เหล็ก (NMR) ในโรงพยาบาล และในการกำหนดเป้าหมายลำแสงของเครื่องเร่งอนุภาค พวกเขายังสามารถใช้สำหรับการแยกแม่เหล็ก ซึ่งอนุภาคแม่เหล็กที่อ่อนแอถูกดึงออกมาจากพื้นหลังของอนุภาคที่มีขนาดเล็กหรือไม่ใช่แม่เหล็ก เช่นเดียวกับในอุตสาหกรรมเม็ดสี

ตัวนำยิ่งยวดยังถูกใช้เพื่อสร้างวงจรดิจิตอลและความถี่วิทยุและตัวกรองไมโครเวฟสำหรับสถานีฐานโทรศัพท์มือถือ

ตัวนำยิ่งยวดใช้สร้างทางแยกของโจเซฟสันซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของ SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) ซึ่งเป็นเครื่องวัดค่าความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด อ่อนไหว

ขึ้นอยู่กับโหมดการทำงาน ชุมทางโจเซฟสันสามารถใช้เป็นเครื่องตรวจจับโฟตอนหรือเป็นมิกเซอร์. การเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ในความต้านทานต่อการเปลี่ยนจากสถานะปกติไปเป็นสถานะตัวนำยิ่งยวดใช้ในการสร้างเทอร์โมมิเตอร์ในเครื่องตรวจจับโฟตอนแบบแช่แข็ง

แอปพลิเคชั่นที่เป็นนวัตกรรมและมองไปข้างหน้ารวมถึงหม้อแปลงประสิทธิภาพสูง การเก็บพลังงาน การส่งกำลังไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้า และอุปกรณ์ลอยตัว แม่เหล็ก

อย่างไรก็ตาม ตัวนำยิ่งยวดนั้นไวต่อการเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็ก ดังนั้นการใช้งานที่ ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า จะทำได้ยากกว่าที่ป้อนด้วยกระแสไฟ ทำต่อไป.

ตัวอย่างของวัสดุตัวนำยิ่งยวด

พวกเขาสามารถเป็นโลหะเช่น:

1. ตะกั่ว
2. ดีบุก
3. เซอร์โคเนียม
4. ปรอท
5. ทังสเตน
6. สังกะสี
7. อิริเดียม
8. วาเนเดียม
9. ไทเทเนียม
10. ลิเธียม
11. แบเรียม
12. เบริลเลียม
13. แคดเมียม
14. โครเมียม.

พวกเขาสามารถเป็นอโลหะหรือเมทัลลอยด์เช่น:

1. โบรอน
2. แคลเซียม
3. คาร์บอน
4. ซิลิคอน
5. การจับคู่
6. ออกซิเจน
7. กำมะถัน
8. ซีลีเนียม
9. สารหนู
10. โบรมีน
11. ชาวอินเดีย
12. แทลเลียม
13. บิสมัท