¿Qué es un superconductor?
Un superconductor es una sustancia que lleva a cabo una corriente eléctrica con resistencia cero. Superconduction es una fase de estado (como los líquidos y sólidos estados del agua); como tal, depende de la temperatura entre otras variables. La temperatura en que la transición se lleva a cabo es la temperatura crítica (Tc). En 1911, H. Kammerlingh Onnes descubrió la superconductividad de trabajo sobre el mercurio.
Los superconductores son clasificadas como de tipo I o II en función de su comportamiento transición. En el Tipo I, la resistencia cae bruscamente a cero cuando se alcanza Tc; superconductores tipo II celebrará una zona mixta de superconductores y no el comportamiento superconductor.
Algunas características de los superconductores:
- Metales que tienen la superconductividad apoyo crítico temperaturas cerca del cero absoluto (Tipo I).
- Algunas cerámicas pueden alcanzar el estado superconductor a temperaturas más altas (Tipo II).
- La última patentado superconductor tiene una Tc = 150 K.
- Los superconductores de alta Tc puede ser mantenido con más barato de refrigeración líquida como los sistemas basados en nitrógeno (el japonés tren maglev utiliza este sistema).
- Todos los superconductores encontrado hasta el momento son sólidos.
Electric conducción implica pérdidas de energía debido a la resistencia de la realización material. La energía se libera en forma de calor. Las principales consecuencias son la necesidad de mantener el suministro de energía para sostener la actual y la posible quema de la realización de los medios de comunicación. Un curso normal en un anillo de metal se decaimiento rápidamente, si es el anillo superconductor, se mostrará el movimiento perpetuo (la decadencia constante de más de mil millones de años!). Véase "¿Qué es un anillo en forma de superconductores utiliza?" para más detalles.
La investigación en el ámbito de los superconductores es un campo caliente. Nuevos materiales superconductores se descubren en una base regular y sus aplicaciones tecnológicas son infinitas. Nuevos descubrimientos vigor la revisión de las teorías aceptadas y es, por ahora, un fenómeno que no entiende completamente.
Propiedades magnéticas de un superconductor
Aun cuando los estudios recientes descartan diamagnetismo como un generalizado de propiedad, es una muy bien documentada la propiedad de la mayoría de los superconductores y es una de las formas de lograr la levitación magnética.
Meissner efecto: En 1933 Walter Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron que un material superconductor se repeler un campo magnético. Si un imán se mueve cerca de un conductor, las corrientes electromagnéticas son inducidos por el conductor. Este es el principio detrás de los generadores eléctricos. Si un superconductor se utiliza en lugar de ello, las corrientes inducidas exactamente espejo sobre el terreno provocando el imán a ser rechazados. Un imán puede levitar lo largo de un material superconductor.
El efecto Meissner se descartó como un general de bienes en 1997, cuando una aleación de oro y el indio se encontró un superconductor y un imán natural a una temperatura muy cerca del cero absoluto. Desde entonces, otros compuestos se han encontrado con la misma propiedad.
Los superconductores de tipo I
Se caracterizan por una fuerte transición a un estado superconductor y diamagnetismo perfecto (la capacidad de repeler un campo magnético por completo). La curva de conductividad vs temperatura en la constante presión normal muestra una disminución con la temperatura hasta una temperatura crítica de transición (conocido como Tc) por debajo del cual la conductividad es cero (dentro del error experimental). La temperatura crítica suele ser muy bajo (0-5 K), Plomo (Pb), el mayor con un 7,196 K.
Treinta materiales se encuentran en este grupo. Se trata de metales y metaloides que muestran algunos de conductividad a temperatura ambiente. Los mejores conductores metálicos (cobre, plata y oro) no se encuentran entre los superconductores tipo I.
| Material | Tc |
|---|---|
| Ser | 0 |
| Rh | 0 |
| W | 0,015 |
| Ir | 0,1 |
| Lu | 0,1 |
| La | 6,00 |
| 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 |
| Th | 1,4 |
| Re | 1,4 |
| Tfno | 2,39 |
| Nb | 9,46 |
| En | 3,408 |
| Sn | 3,722 |
| Hg | 4,153 |
| Ta | 4,47 |
| V | 5,38 |
La explicación es aceptada por la teoría BCS.
Teoría BCS: El vibraciones moleculares en el entramado más lento cuando la temperatura desciende, abajo la temperatura crítica de esta falta de movimiento permite el flujo de electrones sin ningún tipo de obstáculo que se traduce en la superconductividad. Un factor interesante de esta teoría es la aparición de pares de Cooper (los electrones se mueven junto a pares).
Cooper pairs: La vibración en la celosía es tan pequeño que la presencia de los electrones en realidad afecta a la posición de los núcleos circundantes. Un movimiento de electrones produce un efecto de onda en la celosía que impulsan el movimiento de un segundo electrón de acoplamiento tanto de ellos a través del intercambio de un fonón (quanta de energía celosía vibraciones). Estos dos electrones forman un par de Cooper. La pareja se localizan en el impulso (la misma magnitud, pero el impulso se desplazan en dirección opuesta) y unlocalized en el espacio (que puede ser el espacio de separación hasta 100 nanómetros, cuando la separación entre dos núcleos es 0.1-0.4 nm). Los electrones son "fermiones" (es decir, son cargadas eléctricamente y, como tal, que se repelen mutuamente), pero en virtud del estado superconductor se comportan como sufriendo una transición fundamental para el estado que sólo está disponible para los bosones (partículas sin carga eléctrica, los neutrones se bosoms) . La solución a este "problema" es la creación de pares de Cooper, junto al par de electrones se comporta como un bosón. Experimental corroboración de una interacción con el entramado fue proporcionada por el isótopo efecto en la temperatura de transición superconductora.
Los superconductores tipo II
Superconductores tipo II muestran una gradual transición de una normal a un estado superconductor a través de una región de "estado mixto" comportamiento. Superconductores tipo II son también conocidos como superconductores duro y la estructura de celosía desempeña un papel fundamental en este caso. No hay un modelo completo para explicar los superconductores tipo II en la forma en que explica la teoría BCS Tipo I. Algunos superconductores tipo II muestran mayores temperaturas críticas que las aplicaciones tecnológicas viables. Otros pueden mantener el estado superconductor a muy alto campo magnético aplicado. También hay aquellos que están en el rango de Tipo I Tc y apoya los campos magnéticos.
Debido a la zona mixta, algunos de penetración por un campo magnético externo (B) en su superficie será permitido. Como consecuencia, los nuevos fenómenos como mesoscópica superconductores "rayas" y "flujo de celosía vórtices" se puede observar. Esta penetración parcial da el campo magnético aplicado el poder de romper la superconductividad estado (campo magnético crítico Bc). En los superconductores tipo II, la temperatura y el campo magnético aplicado serán las principales variables del diagrama de fase.
El primer superconductor de tipo II, una aleación de plomo y el bismuto, fue creado en 1930 por W. de Haas y J. Voogd. Sus propiedades superconductoras no se observaron hasta que el efecto Meissner fue descubierto. Hasta la fecha, la más alta Tc obtenidas en la sala de presión es de 138 K para un material stoichiometric (formado por fórmula) y 150K para una patente pendiente de material que no forma stoichiometrically.
Diferentes compuestos familias han demostrado tener superconductores tipo II características; una breve clasificación siguiente:
- Las sustancias más abundantes que muestran la superconductividad de tipo II están compuestos metálicos y aleaciones. Conocido excepciones son los elementos vanadio, el niobio y tecnecio.
- Las combinaciones de vanadio, el niobio Tecnecio y se utilizan en la fabricación de imanes superconductores. Niobio-estaño-niobio y titanio en forma de cables de alta apoyo campos magnéticos, Tc sus fuerzas de refrigeración con helio líquido. Generalmente son delgados filamentos (20. M) incrustados en una matriz de cobre para maximizar la afectividad (los cargos pasar sólo por la superficie del alambre).
- Cerámicos superconductores ( "perovskites") son el óxido de metal-cerámica que normalmente tienen una proporción de 2 átomos de metal de más de 3 átomos de oxígeno. Muestran mayor TCS.
- Superconductor cuprates (óxidos de cobre) puede alcanzar las más altas temperaturas críticas entre los superconductores tipo II.
- Orgánica superconductores forman parte de los conductores orgánicos familia (sales molecular, los polímeros y los sistemas de carbono puro incluidos los nanotubos de carbono y compuestos de C60). Molecular sales han Tc baja presión en la sala (0.4-12 K), en el rango de Tipo I superconductores. La ventaja es que muestran un mayor Bc; en (TMTSF) 2PF6 el campo magnético crítico se sitúa en torno al 6T, un orden de magnitud superior a la habitual BCS.
- Borocarbides son uno de los menos entendidos sistemas superconductores. Ellos se forman a partir de ferromagnéticos metales de transición (se pensaba imposible). Cuando se combina con elementos peculiares como Holmium, retiro de los superconductores estado de cierta temperatura inferior Tc. Fueron descubiertas en 1993 por Bob Cava.
- Fermiones pesados son los compuestos de tierras raras, como elementos o Ce Yb, o actínidos elementos tales como U. A bajas temperaturas, algunos de estos materiales mostrar la superconductividad. El mecanismo no está completamente entendido, algunas teorías proponen la presencia de pares de Cooper formado por la interacción con los espines de electrones en lugar de celosía fonones. La primera observación fue formulada por E. Bucher, et al, en 1973 pero no fue reconocido como la superconductividad hasta 1979. Sus temperaturas de transición se encuentran en la gama de Tipo I superconductores.
Los superconductores y Tecnología
Levitación magnética: Efecto Meissner en superconductores de cerámica se utiliza para mantener los trenes levitando. Magnética Levitating trenes puedan circular a velocidades de alrededor de 400 Km / h. Aun cuando la tecnología está plenamente desarrollada, económicos y ambientales que han retrasado su uso generalizado. Ver también:
- ¿Qué es levitación magnética?
- ¿Cuáles son Vehículos de levitación magnética?
- ¿Qué es un tren maglev?
- ¿Cómo funciona un tren maglev?
Superconductor de Líneas de Transmisión: En el Brookhaven National Laboratory, prototipo superconductor las líneas de transmisión de transporte de 1000 MW de potencia dentro de un recinto de 40 cm de diámetro. En caso de problemas de escala no se plantean que sería posible transportar la plena producción de una central eléctrica con una sola línea. Superconductor líneas ahorraría el 10% -15% de la energía, la cantidad usualmente se disipó en las líneas de transmisión. El problema que debe resolverse aún es que los superconductores que puede ser modelada como cables hasta el momento tienen que ser refrigerado con helio líquido (muy caro). Los superconductores de alta Tc son duros y no pueden ser en forma de cables.
Industria electrónica: CIUO Internacional de Tecnologías de superconductores y actualmente están ofreciendo ultra-alto rendimiento basadas en filtros de cable superconductor. Habiendo cerca de cero resistencia, incluso a altas frecuencias, muchos más filtros fases se pueden aplicar para obtener la frecuencia deseada. Esto es útil en la industria de teléfonos celulares entre otros.
Computadoras:
- Los procesadores basados en materiales superconductores se encuentran entre las tecnologías competidoras en la carrera para obtener petaflop ordenadores.
- Recientemente también se observó que el pequeño campo magnético que penetra en los superconductores tipo II se puede utilizar para almacenar y recuperar información digital.
Usos militares:
- Superconductor antena de microondas: superconductores cinta se utiliza para reducir la duración de la baja frecuencia de las antenas empleadas en los submarinos.
- E-bombas: un imán superconductor crea un fuerte impulso electromagnético que desactiva el enemigo del equipo electrónico. Se utilizó en la guerra contra Iraq con más de una estación de radio.
Algunas aplicaciones interesantes aparecen en el campo de imanes superconductores. Véase "¿Qué es un anillo en forma de superconductores utiliza?" para más detalles.
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