Τι είναι ένα Superconductor;
A superconductor είναι μια ουσία η οποία διεξάγει ηλεκτρικού ρεύματος με μηδενική αντίσταση. Superconduction είναι μια φάση κατάσταση (όπως τα υγρά και στερεά μέλη του νερού)? Ως έχει, θα εξαρτάται από τη θερμοκρασία μεταξύ άλλων μεταβλητών. Η θερμοκρασία όπου λαμβάνει χώρα η μετάβαση είναι η κρίσιμη θερμοκρασία (TC). Το 1911, H. Kammerlingh Onnes ανακάλυψε υπεραγωγιμότητα που εργάζονται πάνω από υδράργυρο.
Υπεραγώγιμα χαρακτηρίζονται ως τύπου Ι ή τύπου ΙΙ, ανάλογα με τη μετάβασή τους συμπεριφορά. Στον τύπο Ι, η αντίσταση πέφτει απότομα στο μηδέν, όταν Tc επιτυγχάνεται? Τύπου ΙΙ υπεραγωγοί κατέχουν μια μικτή ζώνη του superconductor και μη superconductor συμπεριφορά.
Ορισμένα χαρακτηριστικά του υπεραγωγοί:
- Μετάλλων που υποστηρίζουν την υπεραγωγιμότητα έχουν κρίσιμες θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (Type I).
- Μερικά κεραμικά μπορούν να επιτύχουν superconductor κατάσταση σε υψηλότερες θερμοκρασίες (Τύπος ΙΙ).
- Η τελευταία έχει κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας superconductor Tc = 150 K.
- High Tc υπεραγωγοί μπορούν να επιβεβαιωθούν με φθηνότερο ψύξης όπως και συστήματα που βασίζονται σε υγρό άζωτο (το ιαπωνικό τρένο maglev χρησιμοποιεί αυτό το σύστημα).
- Όλες οι υπεραγωγοί που βρέθηκαν μέχρι σήμερα είναι στερεά.
Ηλεκτρική αγωγιμότητα συνεπάγεται απώλειες ενέργειας λόγω της ανθεκτικότητας του αγώγιμο υλικό. Η ενέργεια απελευθερώνεται ως θερμότητα. Οι κύριες ανεπιθύμητες συνέπειες είναι η ανάγκη να εξακολουθήσουν να παρέχουν ενέργεια για να διατηρήσει την τρέχουσα και την πιθανή διεξαγωγή καύση των μέσων μαζικής ενημέρωσης. Ένα ρεύμα με μια κανονική μεταλλικό δακτύλιο θα εξακολουθήσουν γρήγορα? Αν το δαχτυλίδι είναι υπεραγώγιμοι, θα δείτε αέναη κίνηση (η συνεχής φθορά της για πάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια!). Βλ. "Τι είναι ένα δαχτυλίδι σε σχήμα Superconductor χρησιμοποιείται για;" για περισσότερες λεπτομέρειες.
Η έρευνα στον τομέα της υπεραγωγοί είναι ένα καυτό πεδίο. Νέα υπεραγώγιμων υλικών που ανακαλύπτονται σε τακτική βάση και τις τεχνολογικές εφαρμογές είναι ατελείωτες. Νέες ανακαλύψεις ισχύ την αναθεώρηση του αποδεκτές θεωρίες και αυτό είναι, για τώρα, ένα φαινόμενο που δεν κατάλαβα εντελώς.
Μαγνητικές ιδιότητες ενός Superconductor
Ακόμα και όταν πρόσφατες μελέτες diamagnetism απορρίπτονται ως γενικευμένη ιδιοκτησίας? Είναι μια πολύ καλά τεκμηριωμένη ιδιοκτησίας των περισσότερων υπεραγωγοί και είναι ένας από τους τρόπους για να επιτευχθεί μαγνητική levitation.
Meissner αποτέλεσμα: το 1933 Walter Meissner και Robert Ochsenfeld ανακάλυψαν ότι ένα υπεραγώγιμων υλικών θα απωθήσει ένα μαγνητικό πεδίο. Εάν ένας μαγνήτης κινείται κοντά σε έναν αγωγό, ηλεκτρομαγνητικών ρευμάτων είναι επαγωγικά στη αγωγού. Αυτή είναι η αρχή πίσω από ηλεκτρικές γεννήτριες. Εάν ένα superconductor χρησιμοποιείται αντ 'αυτού, η εισαγωγή ρευμάτων ακριβώς καθρέφτη τομέα προκαλεί το μαγνήτη να απωθήθηκαν. Ένας μαγνήτης μπορεί πράγματι levitate πάνω από ένα υπεραγώγιμος υλικό.
Το αποτέλεσμα ήταν Meissner απορρίπτονται ως γενική ιδιοκτησίας από το 1997, όταν ένα κράμα χρυσού και indium διαπιστώθηκε ότι ήταν τόσο superconductor και ενός φυσικού μαγνήτη σε θερμοκρασία πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν. Από τότε, άλλες ενώσεις έχουν βρεθεί με την ίδια ιδιοκτησία.
Τύπος Ι υπεραγωγοί
Αυτές χαρακτηρίζονται από μια πολύ απότομη μετάβαση σε ένα κράτος και τέλεια superconducting diamagnetism (η ικανότητά του να απωθήσει ένα μαγνητικό πεδίο τελείως). Η καμπύλη vs αγωγιμότητας της θερμοκρασίας σε συνεχή πίεση δείχνει μια φυσιολογική μείωση της θερμοκρασίας έως και μια κρίσιμη μεταβατική θερμοκρασία (γνωστό ως Tc) κάτω του οποίου η αγωγιμότητα είναι μηδέν (μέσα σε πειραματικό σφάλμα). Η κρίσιμη θερμοκρασία είναι συνήθως πολύ χαμηλό (0-5 K), όντας το μόλυβδο (Pb) το υψηλότερο ένα με 7,196 Κ.
Τριάντα υλικά που βρίσκονται σε αυτή την ομάδα. Είναι μέταλλα και μεταλλοειδή ότι δείχνουν κάποια αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Ο καλύτερος μεταλλικών αγωγών (χαλκό, ασήμι και χρυσό) δεν είναι μεταξύ του τύπου Ι υπεραγωγοί.
| Υλικό | Tc |
|---|---|
| Είμαι | 0 |
| Rh | 0 |
| W | 0,015 |
| Ir | 0,1 |
| Lu | 0,1 |
| La | 6,00 |
| Το HF | 0,1 |
| Ru | 0,5 |
| Os | 0,7 |
| Mo | 0,92 |
| Zr | 0,546 |
| Pb | 7,193 |
| Cd | 0,56 |
| U | 0,2 |
| Ti | 0,39 |
| Zn | 0,85 |
| Ga | 1,083 |
| Tc | 7,77 |
| Al | 1,2 |
| Pa | 1,4 |
| Πε | 1,4 |
| Re | 1,4 |
| Tl | 2,39 |
| Αρ. | 9,46 |
| Μέσα | 3,408 |
| Sn | 3,722 |
| Hg | 4,153 |
| Ta | 4,47 |
| V | 5,38 |
Η αποδεκτή εξήγηση δίνεται από τη θεωρία BCS.
BCS Theory: Οι μοριακές δονήσεις στην lattice επιβραδύνουν όταν η θερμοκρασία πέσει, κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία αυτής της έλλειψης κυκλοφορίας επιτρέπει τη ροή των ηλεκτρονίων χωρίς κανένα εμπόδιο, πράγμα που μεταφράζεται στην υπεραγωγιμότητα. Ένα ενδιαφέρον στοιχείο αυτής της θεωρίας είναι η εμφάνιση των ζευγών Cooper (τα ηλεκτρόνια κινούνται σε συνδυασμό με ζεύγη).
Cooper Pairs: Οι δονήσεις στο lattice είναι τόσο μικρή που η παρουσία του τα ηλεκτρόνια που πραγματικά επηρεάζει τη θέση του γύρω από πυρήνες. Μία μετακίνηση ηλεκτρονίων παράγει κυματοειδείς επιπτώσεις στην lattice ότι θα προωθούσαν την κίνηση των ηλεκτρονίων ένα δεύτερο σύζευξη δύο από αυτούς μέσω της ανταλλαγής ενός Φωνονική (ποσοστώσεις των lattice δονήσεις ενέργειας). Αυτές οι δύο ηλεκτρόνια που σχηματίζουν ένα ζεύγος Cooper. Το ζεύγος θα είναι μεταφρασμένη στην κεκτημένη ταχύτητα (ίδια ορμή μέγεθος, αλλά κινείται σε αντίθετη κατεύθυνση) και unlocalized στο διάστημα (που μπορεί να είναι κατανάγκη πέρα μέχρι 100 νανόμετρα, όταν ο διαχωρισμός μεταξύ δύο διαδοχικών πυρήνων είναι 0.1-0.4 nm). Ηλεκτρόνια έχουν "fermions" (δηλαδή είναι ηλεκτρικά φορτισμένη και ως τέτοια θα απωθήσει κάθε άλλο)? Αλλά υπό superconductor κατάσταση που συμπεριφέρονται όπως πόνο μετάβαση προς τη θεμελιώδη κατάσταση η οποία είναι διαθέσιμη μόνο στους bosons (σωματίδια χωρίς ηλεκτρικό φορτίο, νετρόνια είναι bosoms) . Η λύση σε αυτό το «πρόβλημα» είναι η δημιουργία ζευγών Cooper? Το συνδυασμό ζεύγος ηλεκτρονίων συμπεριφέρεται ως boson. Πειραματική επιβεβαίωση της αλληλεπίδρασης με την lattice αυτή παρέχεται από το ισότοπο αποτέλεσμα για την μετάβαση των υπεραγώγιμων θερμοκρασία.
Τύπος ΙΙ υπεραγωγοί
Τύπος ΙΙ υπεραγωγοί δείχνουν μια σταδιακή μετάβαση από ένα φυσιολογικό σε ένα superconducting κατάσταση σε ολόκληρη την περιοχή των "μικτή κατάσταση" συμπεριφορά. Τύπος ΙΙ υπεραγωγοί είναι επίσης γνωστό ως σκληρό και οι υπεραγωγοί lattice δομή παίζει ζωτικό ρόλο σε αυτή την περίπτωση. Δεν υπάρχει ένα ολοκληρωμένο μοντέλο για να εξηγήσει τύπου ΙΙ υπεραγωγοί στον τρόπο Θεωρία BCS εξηγεί Τύπος Ι. Κάποιοι τύπου ΙΙ υπεραγωγοί δείχνουν υψηλότερες θερμοκρασίες λήψης κρίσιμων τεχνολογικών εφαρμογών βιώσιμη. Άλλοι μπορεί να διατηρήσει την κατάσταση superconductor σε πολύ υψηλό εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο. Υπάρχουν, επίσης, εκείνες που βρίσκονται στο φάσμα του τύπου Ι Tc και υποστήριξε μαγνητικά πεδία.
Λόγω των μικτών περιοχή, μερικά από εξωτερική διείσδυση του μαγνητικού πεδίου (Β) στην επιφάνεια θα πρέπει να επιτρέπεται. Κατά συνέπεια, mesoscopic νέα φαινόμενα όπως οι υπεραγώγιμοι "λωρίδες" και "flux-lattice δίνες" μπορεί να παρατηρηθεί. Αυτή η μερική διείσδυση δίνει το μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται δύναμη να διασπάσει την υπεραγωγιμότητα κατάσταση (κρίσιμη μαγνητικό πεδίο π.Χ.). Σε τύπου ΙΙ υπεραγωγοί, η θερμοκρασία και εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο θα είναι οι κύριες μεταβλητές του διαγράμματος φάσης.
Η πρώτη Type II superconductor, ένα κράμα του μολύβδου και του βισμουθίου, ιδρύθηκε το 1930 από τον W. de Haas και J. Voogd. Οι υπεραγώγιμοι ιδιότητες δεν είχαν παρατηρηθεί μέχρι την επίδραση Meissner ανακαλύφθηκε. Μέχρι σήμερα, το υψηλότερο Tc ολοκλήρου σε αίθουσα πίεση είναι 138 Κ για μια στοιχειομετρική υλικό (που σχηματίζεται από μαθηματικό τύπο) και 150K για τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας που εκκρεμούν υλικό το οποίο δεν θα αποτελεί stoichiometrically.
Διαφορετικές σύνθετες οικογένειες έχουν αποδειχθεί ότι έχουν Type II superconducting χαρακτηριστικά? Μια σύντομη κατάταξη εξής:
- Οι μεγαλύτερες ποσότητες ουσιών που εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα τύπου ΙΙ είναι μεταλλικές ενώσεις και κράματα. Γνωστά εξαιρέσεις είναι τα στοιχεία βανάδιο, τεχνητίου και νιοβίου.
- Οι συνδυασμοί του βαναδίου, Τεχνήτιο και Νιόβιο χρησιμοποιούνται στην κατασκευή υπεραγώγιμων μαγνητών. Νιοβίου-κασσιτέρου και νιοβίου-τιτανίου διαμορφώνεται σε σύρματα υποστήριξη υψηλού μαγνητικά πεδία, τους Tc δυνάμεις ψύξης με υγρό ήλιο. Συνήθως είναι λεπτές ίνες (20. M) ενσωματωμένων σε ένα χάλκινο μήτρα για να μεγιστοποιήσετε affectivity (οι χρεώσεις κινείται μόνο πάνω από την επιφάνεια του σύρματος).
- Κεραμικά υπεραγωγοί ( "perovskites") metal-oxide είναι η κεραμική που συνήθως έχουν σχέση των 2 ατόμων μετάλλου πάνω από 3 άτομα οξυγόνου. Αυτές εμφανίζουν υψηλότερα TCS.
- Superconducting cuprates (οξείδια του χαλκού) μπορούν να επιτύχουν τις υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες μεταξύ των Τύπος ΙΙ υπεραγωγοί.
- Οργανική υπεραγωγοί είναι τμήμα του αγωγού βιολογική οικογένεια (μοριακή άλατα, πολυμερή και καθαρού άνθρακα, των συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων των νανοσωλήνων άνθρακα και C60 ενώσεις). Μοριακής άλατα έχουν χαμηλό Tc σε αίθουσα πίεσης (0.4-12 K), στο φάσμα του τύπου Ι υπεραγωγοί. Το πλεονέκτημα που παρουσιάζουν είναι πολύ υψηλότερο Βγ? Στο (TMTSF) 2PF6 το κρίσιμο μαγνητικό πεδίο είναι περίπου 6T, μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερος από τον συνήθη του BCS.
- Borocarbides είναι ένα από τα λιγότερο κατανοητά superconductor συστήματα. Έχουν σχηματιστεί από σιδηρομαγνητικών μετάβαση μετάλλων (κρίθηκε αδύνατη). Όταν συνδυάζονται με στοιχεία όπως το ιδιόμορφο όλμιο, θα υποχωρήσουν από το κράτος για ορισμένες superconductor θερμοκρασία κάτω Tc. Είχαν ανακαλύφθηκε το 1993 από τον Bob Cava.
- Heavy Fermions είναι ενώσεις που περιέχουν σπάνιων γαιών στοιχεία, όπως Ce ή Yb, ή ακτινίδες στοιχεία, όπως U. σε χαμηλές θερμοκρασίες, μερικά από αυτά τα υλικά εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα. Ο μηχανισμός δεν είναι πλήρως κατανοητά, ορισμένες θεωρίες προτείνουν την παρουσία του Cooper ζεύγη που σχηματίζεται από την αλληλεπίδραση με το ηλεκτρόνιο γυρίσματα αντί lattice phonons. Η πρώτη παρατήρηση έγινε από τον E. Bucher, et al, το 1973, αλλά δεν είχε αναγνωριστεί ως υπεραγωγιμότητα έως το 1979. Τη μετάβασή τους σε θερμοκρασίες είναι της τάξεως του τύπου Ι υπεραγωγοί.
Υπεραγώγιμα και Τεχνολογίας
Magnetic Levitation: Meissner Effect για κεραμικά υπεραγωγοί χρησιμοποιείται για να κρατήσει τα τρένα Αιωρούμενο. Αιωρούμενο μαγνητικών τρένων μπορεί να κινείται με ταχύτητες της τάξης των 400 km / h. Ακόμη και όταν η τεχνολογία θα έχει αναπτυχθεί πλήρως, οικονομικά και περιβαλλοντικά ζητήματα έχουν καθυστερήσει τη γενικευμένη χρήση. Βλ. επίσης:
- Τι είναι Magnetic Levitation;
- Ποια είναι Magnetic Levitation Οχήματα;
- Τι είναι ένα Train MagLev;
- Πώς μια Train MagLev εργασία;
Superconducting Διαβίβαση Lines: Σε Brookhaven Εθνικό Εργαστήριο, πρωτότυπο υπεραγώγιμων γραμμών μεταφοράς μεταφοράς 1000 MW ηλεκτρικής ενέργειας εντός του περιβλήματος διαμέτρου 40 εκατοστών. Αν κλίμακα δεν δημιουργούνται προβλήματα, θα ήταν δυνατή η μεταφορά της πλήρους παραγωγής ενός εργοστασίου παραγωγής ενέργειας με μία μόνο γραμμή. Superconducting γραμμές θα εξοικονομούσε το 10% -15% της ενέργειας, το ποσό που διαχέεται συνήθως στην γραμμών μεταφοράς. Το πρόβλημα πρέπει να επιλυθεί ακόμη ότι οι υπεραγωγοί είναι ότι μπορεί να διαμορφωθεί ως σύρματα μέχρι στιγμής πρέπει να ψύξη με υγρό ήλιο (πολύ ακριβά). High Tc υπεραγωγοί είναι σκληρό και δεν μπορεί να διαμορφωθεί σε σύρματα.
Βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών: ISCO Διεθνούς και Superconductor Technologies είναι σήμερα προσφέρει υπερ-υψηλής απόδοσης φίλτρων βασίζεται σε υπεραγώγιμων συρμάτων. Έχοντας σχεδόν μηδενική αντοχή, ακόμη και σε υψηλές συχνότητες, πολύ περισσότερα στάδια φιλτραρίσματος μπορούν να εφαρμοστούν για να επιτευχθεί η επιθυμητή συχνότητα. Αυτό είναι χρήσιμο στη βιομηχανία κινητής τηλεφωνίας μεταξύ των άλλων.
Υπολογιστές:
- Επεξεργαστές βασίζεται σε υπεραγώγιμων υλικών είναι μεταξύ των ανταγωνιστικών τεχνολογιών στην κούρσα για την απόκτηση petaflop υπολογιστές.
- Πρόσφατα είχε γίνει επίσης παρατηρηθεί ότι το μικρό μαγνητικό πεδίο που διεισδύει τύπου ΙΙ υπεραγωγοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποθηκεύουν και να ανακτούν την ψηφιακή πληροφορία.
Στρατιωτικές χρήσεις:
- Superconducting μικροκυματική κεραία: υπεραγώγιμος ταινία χρησιμοποιείται για να μειώσει τη διάρκεια της χαμηλής συχνότητας κεραίες που απασχολούνται στα υποβρύχια.
- E-βόμβες: μια superconductor μαγνήτης δημιουργεί ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό σφυγμό που απενεργοποιεί τον εχθρό του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Είχε χρησιμοποιηθεί στον πόλεμο με το Ιράκ σε ένα ραδιοφωνικό σταθμό.
Μερικές ενδιαφέρουσες εφαρμογές εμφανίζονται στον τομέα των υπεραγώγιμων μαγνητών. Βλ. "Τι είναι ένα δαχτυλίδι σε σχήμα Superconductor χρησιμοποιείται για;" για περισσότερες λεπτομέρειες.
Bookmark Τι είναι ένα Superconductor;
