Was ist ein Supraleiter?
Ein Supraleiter ist ein Stoff, führt ein elektrischer Strom mit Null-Widerstand. Superconduction ist eine Phase, Zustand (wie die flüssigen und festen Zuständen des Wassers); als solche, sie ist abhängig von der Temperatur unter anderen Variablen. Die Temperatur in dem der Übergang stattfindet ist die kritische Temperatur (TC). In 1911, H. Kammerlingh Onnes entdeckt Supraleitung arbeiten über Quecksilber.
Supraleiter werden als Typ I oder Typ II in Abhängigkeit von ihrem Übergang Verhalten. Bei Typ I, Widerstand fällt abrupt auf Null, wenn Tc erreicht wird; Typ-II-Supraleiter besitzen eine gemischte Gebiet der Supraleiter Supraleiter und nicht Verhalten.
Einige Eigenschaften von Supraleitern:
- Metalle, die Supraleitung haben kritischen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (Typ I).
- Einige Keramik erreichen können Supraleiter Zustand bei höheren Temperaturen (Typ II).
- Die letzte patentierte Supraleiter hat einen Tc = 150 K.
- High Tc Supraleiter aufrechterhalten werden kann mit billigeren Kälte wie flüssigem Stickstoff-basierten Systemen (die japanische Magnetschwebebahn verwendet dieses System).
- Alle Supraleiter gefunden, so weit sind solide.
Elektrische Leitung bedeutet Energieverluste aufgrund Widerstand der Durchführung von Material. Die Energie wird als Wärme freigesetzt. Die wichtigsten unerwünschten Folgen sind angesichts der Notwendigkeit, die Bereitstellung von Energie zur Aufrechterhaltung der derzeitigen und mögliche Verbrennen der Durchführung von Medien. Ein Strom in einem normalen Metallring wird schnell zerfallen, wenn die supraleitenden Ring ist, wird es zeigen, immerwährender Bewegung (der konstanten Zerfall von mehr als einer Milliarde Jahren!). Siehe "Was ist eine ringförmige Supraleiter verwendet?" Für weitere Informationen zu erhalten.
Forschung auf dem Gebiet der Supraleiter ist ein heißes Gebiet. Neue supraleitenden Materialien entdeckt werden in regelmäßigen Abständen und ihre technologischen Anwendungen sind vielfältig. Neue Entdeckungen Kraft der Überprüfung der Theorien akzeptiert, und es ist, für den Moment, ein Phänomen, nicht vollständig verstanden.
Magnetischen Eigenschaften eines Supraleiter
Auch wenn neuere Studien verworfen Diamagnetismus als generalisierte Eigentum, es ist eine sehr gut dokumentierte Eigenschaft der meisten Supraleiter und es ist eines der Mittel zur Erreichung Magnetschwebetechnik.
Meissner-Effekt: In 1933 Walter Meissner und Robert Ochsenfeld entdeckte, dass eine supraleitende Material stoßen wird ein Magnetfeld. Wenn ein Magnet bewegt sich nahe an ein Dirigent, elektromagnetische Ströme werden induziert in der Dirigent. Dies ist das Prinzip hinter elektrische Generatoren. Wenn ein Supraleiter verwendet, die induzierte Ströme exakt Spiegel dem Gebiet der Magnet verursacht werden zurückgeschlagen. Ein Magnet kann tatsächlich levitate über einen supraleitenden Materials.
Der Meissner-Effekt wurde verworfen, da ein allgemeines Eigentum im Jahr 1997, als eine Legierung aus Gold und Indium ergab, dass sowohl ein Supraleiter und einer natürlichen Magneten bei einer Temperatur sehr nahe dem absoluten Nullpunkt. Seither sind weitere Verbindungen wurden mit der gleichen Eigenschaft.
Typ-I-Supraleiter
Sie zeichnen sich durch einen sehr scharfen Übergang zu einer supraleitenden Zustand und perfekten Diamagnetismus (die Fähigkeit zur Abwehr eines Magnetfeldes vollständig). Die Leitfähigkeit Kurve vs Temperatur bei konstantem Druck zeigt eine normale Abnahme mit der Temperatur bis zu einer kritischen Temperatur Übergang (auch bekannt als Tc), unterhalb dessen man die Leitfähigkeit Null ist (innerhalb der experimentellen Fehler). Die kritische Temperatur wird in der Regel sehr gering (0-5 K), wobei Blei (Pb) der höheren eins mit 7,196 K.
Dreißig Materialien liegen in dieser Gruppe. Sie sind Metalle und Metalloide zeigen, dass einige Leitfähigkeit bei Raumtemperatur. Die besten metallischen Leiter (Kupfer, Silber und Gold) sind nicht unter den Typ-I-Supraleiter.
| Material | Tc |
|---|---|
| Sein | 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 |
| Tl | 2,39 |
| Nb | 9,46 |
| In | 3,408 |
| Sn | 3,722 |
| Hg | 4,153 |
| Ta | 4,47 |
| V | 5,38 |
Die angenommenen Erklärung wird durch BCS-Theorie.
BCS-Theorie: Die molekulare Schwingungen in der Gitter-slow down, wenn die Temperatur sinkt, unterhalb der kritischen Temperatur dieser Mangel an Bewegung ermöglicht den Fluss von Elektronen ohne Hindernis der Übersetzung Supraleitung. Ein interessanter Faktor, der diese Theorie ist das Auftreten von Cooper-Paare (die Elektronen bewegen gekoppelt paarweise).
Cooper Pairs: Die Vibrationen in das Gitter ist so klein, dass die Präsenz der Elektronen tatsächlich wirkt sich auf die Position der umliegenden Kerne. Eine bewegliche Elektronen erzeugt eine Welligkeit Wirkung in der Gitter-Antrieb, die die Bewegung von Elektronen eine zweite Kupplung beide über den Austausch eines Phonon (Quanten des Gitters Vibrationen Energie). Diese beiden Elektronen bilden ein Cooper-Paar. Das Paar wird lokalisiert in Schwung (gleiche Dynamik Größenordnung, sondern bewegen sich in entgegengesetzter Richtung) und unlocalized im Weltraum (sie können räumlich voneinander bis zu 100 Nanometern, wenn Sie den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Kerne ist 0.1-0.4 nm). Elektronen sind "Fermionen" (dh sie sind elektrisch geladen und als solche wehren sie sich gegenseitig), aber unter staatlicher Supraleiter verhalten, als sie Leiden einen Übergang zu den grundlegenden Zustand der ist nur für Bosonen (Teilchen ohne elektrische Ladung, Neutronen sind Busen) . Die Lösung für dieses "Problem" ist die Schaffung von Cooper-Paare, die zusammen zwei Elektronen verhält sich wie ein Boson. Experimentelle Bestätigung der Interaktion mit dem Gitter wurde von dem Isotop Auswirkungen auf die supraleitenden Übergang Temperatur.
Typ-II-Supraleiter
Typ-II-Supraleiter zeigen einen allmählichen Übergang von einem normalen zu einem supraleitenden Zustand in einer Region von "gemischten Zustand" Verhalten. Typ-II-Supraleiter sind auch bekannt als harte Supraleiter und die Gitter-Struktur spielt eine wichtige Rolle in diesem Fall. Es gibt keine ein komplettes Modell zu erklären, Typ-II-Supraleiter auf dem Weg BCS-Theorie erklärt Typ I. Einige Typ-II-Supraleiter zeigen höheren kritischen Temperaturen die technologische Anwendungen tragfähig ist. Andere können den Supraleiter Zustand, in sehr hohem Magnetfeld angewandt. Es gibt auch solche, die sich in die Reihe der Typ-I-TC und unterstützt Magnetfelder.
Aufgrund der gemischten Zone, einige Marktdurchdringung durch ein externes Magnetfeld (B) in seiner Oberfläche wird erlaubt. Als Folge werden neue mesoskopische Phänomene wie supraleitenden "Stripes" und "flux-Gitter-Wirbel" beobachtet werden kann. Diese teilweise Durchdringung gibt die angewandten Magnetfeld Macht zu brechen die Supraleitung Zustand (kritische Magnetfeld v. Chr.). Bei Typ-II-Supraleiter, Temperatur und Magnetfeld angewandt werden die wichtigsten Variablen des Phasendiagramms.
Der erste Typ-II-Supraleiter, eine Legierung aus Blei und Wismut, wurde im 1930 von W. de Haas und J. Voogd. Seine supraleitenden Eigenschaften wurden nicht beobachtet, bis die Meissner-Effekt entdeckt wurde. Bis heute ist die höchste Tc erhältlich bei Zimmer Druck ist 138 K für eine stöchiometrische Material (von Formel) und 150K für einen zum Patent angemeldeten Material bilden, die nicht stoichiometrically.
Verschiedene zusammengesetzte Familien haben gezeigt, dass an Typ-II supraleitenden Eigenschaften; eine kurze Einstufung folgt:
- Die häufigsten Substanzen, die das Display Typ-II-Supraleitung sind metallische Verbindungen und Legierungen. Bekannte Ausnahmen sind die Elemente Vanadium, Technetium und Niob.
- Kombinationen von Vanadium, Niob Technetium und werden bei der Herstellung von supraleitenden Magneten. Niob-Zinn und Niob-Titan-förmigen Drähte Unterstützung in hohen Magnetfeldern, ihre Kräfte Tc Kühlung mit flüssigem Helium. Für gewöhnlich sind sie dünne Filamente (20. M), eingebettet in eine Kupfer-Matrix zu maximieren Affektivität (die Gebühren bewegen nur über die Oberfläche des Drahtes).
- Keramische Supraleiter ( "Perowskite") sind Metall-Oxid-Keramiken, haben in der Regel ein Verhältnis von 2 Metall-Atome über 3 Sauerstoff-Atomen. Sie zeigen höhere TCS.
- Supraleitende cuprates (Kupfer-Oxide) erreichen können, den höchsten kritischen Temperaturen unter den Typ-II-Supraleiter.
- Organische Supraleiter sind Teil der organischen Leiter Familie (Molekular-Salze, Polymere und reiner Kohlenstoff-Systeme einschließlich der Kohlenstoff-Nanoröhren und C60-Verbindungen). Molekulare Salze haben niedrige Tc Druck bei Zimmertemperatur (0.4-12 K), im Bereich der Typ-I-Supraleiter. Der Vorteil ist, zeigen sie eine viel höhere v. Chr.; im (TMTSF) 2PF6 die kritische Magnetfeld ist rund 6T, eine Größenordnung höher als die üblichen BCS.
- Borocarbides sind eine der am wenigsten verstanden Supraleiter-Systeme. Sie werden von ferromagnetischen Übergang Metalle (es war unmöglich, dachte). In Kombination mit eigenartigen Elemente wie Holmium, sie Rückzug aus der Supraleiter Staat für bestimmte Temperatur Tc Balg. Sie wurden 1993 entdeckt von Bob Cava.
- Schwere Fermionen sind Verbindungen mit seltenen Erden Elemente wie CE oder Yb, oder Aktiniden Elemente wie U. Bei niedrigen Temperaturen, einige dieser Materialien Display Supraleitung. Der Mechanismus ist nicht vollständig verstanden, einige Theorien vor, die Präsenz der Cooper-Paare bilden durch Interaktion mit den Elektronen-Spins statt Gitter Phononen. Die erste Beobachtung wurde von E. Bucher, et al, in 1973 aber es wurde nicht erkannt, wie Supraleitung bis 1979. Ihren Übergang Temperaturen befinden sich im Bereich der Typ-I-Supraleiter.
Supraleiter-und Technologietransfer
Magnetic Levitation: Meissner-Effekt in keramischen Supraleitern wird verwendet, um Züge halten levitating. Magnetische Levitating Züge können bei Geschwindigkeiten von rund 400 km / h. Auch wenn die Technik voll entwickelt ist, wirtschaftliche und ökologische Fragen haben verschob ihren generalisierten Einsatz. Siehe auch:
- Was ist Magnetic Levitation?
- Was sind Magnetschnellbahnsystemen?
- Was ist eine Magnetschwebebahn?
- Wie funktioniert eine Magnetschwebebahn funktioniert?
Supraleitende Übermittlung Lines: In Brookhaven National Laboratory, Prototyp supraleitenden Übertragungsleitungen Transport 1000 MW Leistung in einem Gehäuse Durchmesser von 40 cm. Wenn Maßstab Probleme nicht auftreten, wäre es möglich, den Transport der vollen Leistung eines Kraftwerks mit nur einer Zeile. Supraleitende Zeilen würde speichern Sie die 10% -15% der Energie, die Menge zerstreut in der Regel die Übertragungsleitungen. Das Problem zu lösen ist, dass noch Supraleiter werden können geformte Drähte als bisher müssen gekühlt mit flüssigem Helium (sehr teure). High Tc Supraleiter sind hart und kann nicht in Form Drähte.
Elektronik-Industrie: ISCO International und Supraleiter-Technologie derzeit bietet Ultra-High-Performance-Filter basiert auf supraleitenden Draht. Nachdem in der Nähe von Null-Widerstand, auch bei hohen Frequenzen, viele weitere Stufen Filter angewendet werden können, um die gewünschte Frequenz. Dies ist nützlich, in der Mobilfunk-Industrie ua.
Computer:
- Prozessoren mit Sitz in supraleitenden Materialien gehören zu den konkurrierenden Technologien in der Rasse zu erhalten petaflop Computern.
- Vor kurzem wurde auch beobachtet, dass die kleinen magnetischen Feld, dringt Typ-II-Supraleiter verwendet werden können zum Speichern und Abrufen von digitalen Informationen.
Militärische Zwecke verwendet werden:
- Supraleitende Mikrowellen-Antenne: supraleitende Band wird zur Verkürzung der Dauer der niedrigen Frequenz Antennen beschäftigt U-Boote.
- E-Bomben: Ein Supraleiter-Magnet schafft einen starken elektromagnetischen Impuls deaktiviert, dass der Feind der elektronischen Ausrüstung. Er diente im Krieg mit dem Irak über einen Radiosender.
Einige interessante Anwendungen erscheinen auf dem Gebiet der supraleitenden Magneten. Siehe "Was ist eine ringförmige Supraleiter verwendet?" Für weitere Informationen zu erhalten.
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