Wat is een supergeleider?
Een supergeleider is een stof die een elektrische stroom door de weerstand nul. Superconduction is een fase staat (zoals de vloeibare en vaste toestand van het water), als zodanig, het hangt af van de temperatuur onder andere variabelen. De temperatuur waarbij de overgang plaatsvindt, is de kritische temperatuur (Tc). In 1911, H. Kammerlingh Onnes ontdekt supergeleiding werken meer dan kwik.
Supergeleiders worden geclassificeerd als Type I en Type II, afhankelijk van hun overgang gedrag. In het type I, weerstand daalt tot nul abrupt wanneer Tc is bereikt; type II supergeleiders het bezit zijn van een gemengd gebied van de supergeleider en niet supergeleider gedrag.
Enkele eigenschappen van supergeleiders:
- Metalen die supergeleiding hebben kritische temperatuur dicht bij het absolute nulpunt (Type I).
- Sommige keramiek kan bereiken supergeleider staat bij hogere temperaturen (type II).
- De laatste gepatenteerde supergeleider heeft een Tc = 150 K.
- High Tc supergeleiders kunnen worden opgelopen met goedkopere koel zoals vloeibare stikstof gebaseerde systemen (de Japanse maglev trein maakt gebruik van dit systeem).
- Alle supergeleiders gevonden tot nu toe zijn solide.
Elektrische geleiding houdt het verlies van energie vanwege de weerstand van het materiaal. De energie die vrijkomt als warmte. De belangrijkste ongewenste gevolgen zijn van de noodzaak om die energie leveren om de huidige en de mogelijke verbranding van de geleidende media. Een stroom in een normale metalen ring zal snel verval, indien de supergeleidende ring is, wordt deze weergegeven eeuwigdurende beweging (het voortdurende verval van meer dan een miljard jaar!). Zie "Wat is een ringvormige supergeleider gebruikt?" voor meer informatie.
Onderzoek op het gebied van supergeleiders is een warm gebied. Nieuwe supergeleidende materialen zijn ontdekt in een regelmatige basis en de technologische toepassingen zijn eindeloos. Nieuwe ontdekkingen werking van de herziening van de aanvaarde theorieën en het is, voor nu, een verschijnsel dat niet helemaal begrepen.
Magnetische eigenschappen van een supergeleider
Ook bij het recente studies weggegooid diamagnetisme als een algemene eigendom, het is een zeer goed gedocumenteerd zijn eigendom van de meeste supergeleiders en het is een van de middelen voor het bereiken van magnetische levitatie.
Meissner effect: In 1933 Walter Meissner en Robert Ochsenfeld ontdekt dat een supergeleidende materiaal zal afstoten van een magnetisch veld. Als een magneet beweegt de buurt van een dirigent, elektromagnetische stromingen worden bewerkstelligd in de dirigent. Dit is het principe achter elektrische generatoren. Als een supergeleider wordt gebruikt in plaats daarvan de inductiestromen precies spiegel het gebied waardoor de magneet te repulsed. Een magneet kan eigenlijk zweven over een supergeleidende materialen.
Het Meissner effect werd weggegooid als een algemene villa in 1997, toen een legering van goud en indium bleek te zijn beide een supergeleider en een natuurlijke magneet bij een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt. Sindsdien zijn andere verbindingen zijn gevonden met dezelfde eigenschap.
Type I supergeleiders
Ze worden gekenmerkt door een zeer scherpe overgang naar een supergeleidende toestand en de perfecte diamagnetisme (het vermogen om indringers een magnetisch veld volledig). De geleidbaarheid curve vs temperatuur bij constante druk toont een daling met normale temperatuur tot een kritische temperatuur (bekend als Tc) lager dan die van de geleidbaarheid nul is (binnen de experimentele fout). De kritische temperatuur is meestal erg laag (0-5 K), wordt voor lood (Pb) de hogere een met 7,196 K.
Dertig materialen liggen in deze groep. Ze zijn metalen en metalloïden blijkt dat sommige geleidbaarheid bij kamertemperatuur. De beste metalen geleiders (koper, zilver en goud) zijn niet onder de Type I supergeleiders.
| Materiaal | Tc |
|---|---|
| Zijn | 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 |
| Aantal | 9,46 |
| In | 3,408 |
| Sn | 3,722 |
| Hg | 4,153 |
| Ta | 4,47 |
| V | 5,38 |
De aanvaarde verklaring is gegeven door de BCS-theorie.
BCS Theorie: De moleculaire vibraties in het rooster vertragen wanneer de temperatuur daalt, balgtechnologie de kritische temperatuur dit gebrek aan beweging maakt het mogelijk de stroom van elektronen zonder enige belemmering die zich vertaalt in supergeleiding. Een interessante factor van deze theorie is de verschijning van Cooper-paren (de elektronen bewegen gekoppeld in paren).
Cooper-paren: de trillingen in het rooster is zo klein dat de aanwezigheid van de elektronen daadwerkelijk van invloed is op de positie van de omliggende kernen. Een bewegende elektron produceert een rimpelig effect op het rooster dat zal het voortbewegen van de beweging van een tweede elektron koppeling hen beiden via de uitwisseling van een phonon (quanta van het rooster trillingen energie). Deze twee elektronen vormen een Cooper-paar. De combinatie zal worden gelokaliseerd in de vaart (zelfde dynamiek grootte, maar in tegengestelde richting bewegen) en unlocalized in de ruimte (zij kunnen worden ruimtelijk van elkaar tot 100 nanometer wanneer de scheiding tussen twee opeenvolgende kernen is 0.1-0.4 nm). Elektronen zijn "fermionen" (dwz ze zijn elektrisch geladen en als zodanig zij stoten zich), maar staat onder supergeleider gedragen ze zich als slachtoffer een overgang naar de fundamentele toestand die is alleen beschikbaar voor bosons (deeltjes zonder elektrische lading, neutronen zijn bosoms) . De oplossing voor dit "probleem" is de oprichting van Cooper-paren; de combinatie van twee elektronen zich gedraagt als een boson. Experimentele bevestiging van een interactie met het rooster werd verstrekt door de isotoop effect op de temperatuur supergeleidende overgang.
Type II supergeleiders
Type II supergeleiders tonen een geleidelijke overgang van een normale naar een supergeleidende toestand in een gebied van "gemengde staat" gedrag. Type II supergeleiders zijn ook bekend als harde supergeleiders en het rooster structuur speelt een vitale rol in deze zaak. Er is geen een compleet model uit te leggen, type II supergeleiders in de manier waarop BCS theorie verklaart Type I. Sommige type II supergeleiders met hogere temperaturen waardoor de kritische technologische toepassingen levensvatbaar zijn. Anderen kunnen handhaven van de supergeleidende toestand in zeer hoge magnetische veld toegepast. Er zijn ook diegenen die in de reeks van type I-Tc en ondersteund magnetische velden.
Vanwege het gemengd gebied, enkele penetratie door een extern magnetisch veld (B) in het oppervlak zal worden toegestaan. Als gevolg daarvan zou de nieuwe mesoscopische verschijnselen als supergeleidende "strepen" en "flux-rooster wervels" kunnen worden waargenomen. Deze gedeeltelijke penetratie van het magnetisch veld toegepast macht om de supergeleiding staat (kritische magnetisch veld Bc). In type II supergeleiders, temperatuur en toegepast magnetisch veld worden de belangrijkste variabelen van het fasediagram.
Het eerste type II supergeleider, een legering van lood en bismut, is opgericht in 1930 door W. de Haas en J. Voogd. De supergeleidende eigenschappen waren niet in acht genomen totdat het Meissner effect werd ontdekt. Tot op heden is de hoogste Tc verkregen bij kamertemperatuur onder druk is 138 K voor een stoichiometrische materiaal (gevormd door de formule) en 150k voor een octrooi-in afwachting van materiaal dat geen vorm stoichiometrically.
Verschillende samengestelde gezinnen hebben aangetoond te hebben type II supergeleidende eigenschappen; een korte indeling volgt:
- De meest overvloedige stoffen die elkaar Type II supergeleiding zijn metalen verbindingen en legeringen. Bekende uitzonderingen zijn de elementen vanadium, technetium en niobium.
- Combinaties van vanadium, niobium Technetium en worden gebruikt bij de fabricage van supergeleidende magneten. Niobium-tin en niobium-titanium draden steun in de vorm van hoge magnetische velden, hun krachten Tc koeling met vloeibaar helium. Meestal zijn ze dunne filamenten (20. M) ingebed in een matrix koper te maximaliseren affectiviteit (de kosten verplaatsen alleen over het oppervlak van de draad).
- Keramische supergeleiders ( "perovskites") zijn metal-oxide keramiek, die gewoonlijk een verhouding van 2 metaal atomen over een periode van 3 zuurstofatomen. Ze elkaar hoger TCS.
- Supergeleidende cuprates (koper-oxiden) kunnen bereiken, de hoogste temperaturen onder de kritische type II supergeleiders.
- Biologische supergeleiders maken deel uit van de biologische dirigent familie (moleculaire zouten, polymeren en pure koolstof, met inbegrip van koolstof nanobuisjes en C60 verbindingen). Moleculaire zouten hebben een lage Tc bij kamertemperatuur onder druk (0.4-12 K) in de reeks van type I supergeleiders. Het voordeel is zij tonen een veel hogere Bc; in (TMTSF) 2PF6 de kritische magnetisch veld is ongeveer 6T, een orde van grootte hoger dan de gebruikelijke BCS.
- Borocarbides zijn een van de minst begrepen supergeleider. Ze zijn gevormd uit ferromagnetisch overgang metalen (leek het onmogelijk). In combinatie met merkwaardige elementen zoals holmium, zij zich terugtrekken uit de supergeleider staat voor bepaalde temperatuur balgtechnologie-Tc. Ze werden ontdekt in 1993 door Bob Cava.
- Zware fermionen zijn verbindingen die zeldzame aarde elementen zoals Ce of YB of actiniden elementen zoals U. Bij lage temperaturen, sommige van deze materialen supergeleiding elkaar. Het mechanisme is niet volledig duidelijk, sommige theorieën stellen voor de aanwezigheid van Cooper-paren gevormd door interactie met de electron spins in plaats van het rooster fononen. De eerste opmerking werd gemaakt door E. Bucher, et al, in 1973, maar het is niet herkend als supergeleiding tot 1979. Hun overgang temperaturen in de orde van Type I supergeleiders.
Supergeleiders en Technologie
Magnetische Levitatie: Meissner Gevolgen voor de keramische supergeleiders wordt gebruikt om treinen levitating. Magnetische Zwevende treinen kunnen bewegen met een snelheid van ongeveer 400 km / h. Zelfs wanneer de technologie is volledig ontwikkeld, economische en ecologische kwesties hebben vertraagd zijn veralgemeend gebruik. Zie ook:
- Wat is Magnetische Levitatie?
- Wat zijn Magnetische Levitatie Voertuigen?
- Wat is een maglev trein?
- Hoe werkt een maglev trein?
Supergeleidende Toezending Lines: In Brookhaven National Laboratory, prototype supergeleidende transmissielijnen vervoer 1000 MW van de macht binnen een afgesloten ruimte met een diameter van 40 cm. Als schaal problemen zich niet voordoen het mogelijk zou zijn voor het vervoer van de volledige productie van een elektriciteitscentrale met slechts een regel. Supergeleidende lijnen kan besparen op de 10% -15% van de energie, het bedrag dat meestal opgenomen in de transportleidingen. Het probleem dat moet worden opgelost, is dat nog supergeleiders die kan worden gevormd als de draden tot nu toe moeten worden gekoeld met vloeibaar helium (erg duur). High Tc supergeleiders zijn hard en kan niet worden vormgegeven in draden.
Elektronica-industrie: ISCO International en supergeleider Technologies zijn op dit moment te bieden ultra-high-performance filters op basis van supergeleidende draad. Na de buurt van nul weerstand, zelfs bij hoge frequenties, veel meer fasen filter kan worden toegepast voor het verkrijgen van de gewenste frequentie. Dit is handig in de mobiele telefoon industrie onder anderen.
Computers:
- Processors gebaseerd op supergeleidende materialen zijn enkele van de concurrerende technologieën in de race voor het verkrijgen van petaflop computers.
- Onlangs werd ook opgemerkt dat de kleine magnetische veld dat doordringt type II supergeleiders kan worden gebruikt voor het opslaan en opvragen van digitale informatie.
Militaire toepassingen:
- Supergeleidende magnetron antenne: supergeleidende tape wordt gebruikt om de duur van laagfrequente antennes die werkzaam zijn op onderzeeërs.
- E-bommen: een supergeleidende magneet zorgt voor een sterke elektromagnetische puls die schakelt de vijand in elektronische apparatuur. Het werd gebruikt in de oorlog met Irak over een radio-station.
Enkele interessante toepassingen lijken op het gebied van supergeleidende magneten. Zie "Wat is een ringvormige supergeleider gebruikt?" voor meer informatie.
Voeg Wat is een supergeleider?
