Qu'est-ce qu'un Superconductor?
Un supraconducteur est une substance qui effectue un courant électrique sans aucune résistance. Superconduction est une phase d'État (comme les liquides et solides états de l'eau); tant que tel, il dépend de la température entre autres variables. La température où la transition a lieu est la température critique (Tc). En 1911, H. Kammerlingh Onnes découvre la supraconductivité de travail sur le mercure.
Supraconducteurs sont classés dans le type I ou de type II en fonction de leur comportement de transition. Dans de type I, la résistance tombe brusquement à zéro lorsque Tc est atteint; supraconducteurs de type II tenir une zone mixte de supraconducteur et non le comportement des supraconducteurs.
Certaines caractéristiques des supraconducteurs:
- Métaux qui soutiennent la supraconductivité ont des températures proches de zéro absolu (type I).
- Certains céramique peut atteindre l'état supraconducteur à des températures plus élevées (Type II).
- L'superconducteur dernier a breveté un Tc = 150 K.
- Supraconducteurs haute Tc peut être maintenu avec moins coûteux de réfrigération comme l'azote liquide des systèmes (les Japonais train sustentation magnétique utilise ce système).
- Tous les supraconducteurs trouvée à ce jour sont solides.
La conduction électrique implique des pertes d'énergie dues à la résistance du matériau conducteur. L'énergie est libérée sous forme de chaleur. Les principaux effets indésirables sont la nécessité de continuer à fournir l'énergie pour maintenir le régime actuel et le possible combustion de la conduite des médias. Un courant normal dans un anneau de métal decay rapidement, si l'anneau est supraconducteur, il montrera mouvement perpétuel (la dégradation constante de plus d'un milliards d'années!). Voir «Qu'est-ce qu'un Ring-forme Superconductor utilisé?" pour plus de détails.
La recherche dans le domaine des supraconducteurs est un domaine chaud. Nouvelle matériaux supraconducteurs sont découverts dans une base régulière et de ses applications technologiques sont infinies. Les nouvelles découvertes vigueur l'examen des théories acceptées et il est, pour l'instant, un phénomène pas complètement compris.
Propriétés magnétiques d'un Superconductor
Même lorsque des études récentes diamagnétisme rejetées comme une propriété généralisée, il est très bien documenté propriété de la plupart des supraconducteurs et il est un des moyens de parvenir à lévitation magnétique.
Meissner effet: En 1933, Walter Meissner et Robert Ochsenfeld découvert qu'un matériau supraconducteur sera repousser un champ magnétique. Si un aimant se déplace à proximité d'un chef d'orchestre, les courants électromagnétiques sont induites dans le chef d'orchestre. C'est le principe qui sous-tend les générateurs d'électricité. Si un supraconducteur est utilisé à la place, les courants induits reflètent exactement le domaine provoquant l'aimant à être repoussée. Un aimant peut effectivement en lévitation sur un matériau supraconducteur.
L'effet Meissner est jeté comme une propriété générale en 1997, date à laquelle un alliage d'or et de l'indium a été découvert à la fois un supraconducteur et un aimant naturel à une température très proche du zéro absolu. Depuis lors, d'autres composés ont été trouvés avec la même propriété.
Supraconducteurs de type I
Ils se caractérisent par une très forte transition vers un état supraconducteur et diamagnétisme parfait (la capacité à repousser un champ magnétique totalement). La conductivité vs courbe de température à pression constante montre une diminution normale avec la température jusqu'à une température critique de transition (connu sous le nom de Tc) au-dessous duquel la conductivité est de zéro (dans expérimental d'erreur). La température critique est généralement très faible (0-5 K), en plomb (Pb) le plus élevé avec un 7,196 K.
Trente matériaux se trouvent dans ce groupe. Ils sont les métaux et les métalloïdes qui montrent une conductivité à température ambiante. Les meilleurs conducteurs métalliques (cuivre, argent et or) ne sont pas parmi les supraconducteurs de type I.
| Matériel | Tc |
|---|---|
| Être | 0 |
| Rh | 0 |
| O | 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 |
| E | 1,4 |
| Re | 1,4 |
| Tl | 2,39 |
| Nb | 9,46 |
| Dans | 3,408 |
| Sn | 3,722 |
| Hg | 4,153 |
| Ta | 4,47 |
| V | 5,38 |
Le accepté explication est donnée par la théorie BCS.
Théorie BCS: Les vibrations moléculaires dans le treillis ralentir lorsque la température descend, dessous de la température critique cette absence de mouvement permet la circulation des électrons sans obstacle qui se traduit dans la supraconductivité. Un facteur intéressant de cette théorie est l'apparition de paires de Cooper (les électrons se déplacer, accouplée de paires).
Paires de Cooper: Les vibrations dans le treillis est si petite que la présence des électrons affecte effectivement la position des environs noyaux. Un déplacement d'électrons produit un effet dans le treillis qui propulser le mouvement d'un deuxième couplage électron deux d'entre eux par l'échange d'un phonon (quanta d'énergie de vibration en treillis). Ces deux électrons forment une paire de Cooper. Les deux seront localisés dans l'élan (élan même ampleur mais se déplacent en sens inverse) et unlocalized dans l'espace (ils peuvent être en dehors de l'espace à 100 nanomètres lors de la séparation entre les deux noyaux est 0.1-0.4 nm). Les électrons sont "fermions" (c'est-à-dire qu'ils sont électriquement chargés et ils repoussent les uns les autres), mais en vertu de l'état supraconducteur se comportent comme souffrant d'une transition vers l'état fondamental qui est uniquement disponible pour les bosons (particules sans charge électrique, les neutrons sont bosoms) . La solution à ce «problème» est la création de paires de Cooper; couplé paire d'électrons se comporte comme un boson. Corroboration expérimentale d'une interaction avec le treillis a été fourni par l'isotope effet sur la température de transition supraconducteur.
Supraconducteurs de type II
Supraconducteurs de type II montrent une transition graduelle de la normale à un état supraconducteur à travers une région de «mixte état" comportement. Supraconducteurs de type II sont également connue sous le nom de disque supraconducteurs et la structure de treillis joue un rôle essentiel dans ce cas. Il n'existe pas un modèle à expliquer les supraconducteurs de type II dans la manière dont Théorie BCS explique Type I. Certains supraconducteurs de type II Afficher la température critique est plus élevé en applications technologiques viables. D'autres peuvent maintenir l'état supraconducteur à très haut champ magnétique appliqué. Il ya aussi ceux qui sont dans la gamme de Type I Transports Canada et soutenu des champs magnétiques.
En raison de la zone mixte, une pénétration par un champ magnétique externe (B) dans sa surface seront autorisés. En conséquence, de nouveaux phénomènes tels que mésoscopique supraconducteur "bandes" et "flux-vortex lattice" peuvent être observés. Cette partie donne la pénétration champ magnétique appliqué pouvoir de briser la supraconductivité état (critique champ magnétique Bc). Dans les supraconducteurs de type II, de température et de champ magnétique appliqué seront les principales variables du diagramme de phase.
Le premier supraconducteur de type II, un alliage de plomb et du bismuth, a été créé en 1930 par W. De Haas et J. Voogd. Ses propriétés supraconductrices n'ont pas été respectées jusqu'à ce que l'effet Meissner a été découvert. À ce jour, la plus haute Tc obtenu chambre à pression est de 138 K pour une stoechiométrique matériel (formé par une formule) et 150ko de brevet en attente de matériel qui ne fait pas stoichiometrically.
Différentes familles composés ont démontré que les supraconducteurs de type II caractéristiques, une brève classification suit:
- Le plus abondant des substances qui permettent d'afficher la supraconductivité de type II sont composés métalliques et des alliages. Exceptions connues sont les éléments de vanadium, niobium et du technétium.
- Combinaisons de vanadium, niobium et technétium sont utilisés dans la fabrication des aimants supraconducteurs. Niobium-étain et le niobium-titane en forme de fils de haute champs magnétiques, Tc leurs forces de réfrigération d'hélium liquide. Généralement, ils sont minces filaments (20. M) dans le cadre d'une matrice de cuivre afin de maximiser l'affectivité (les frais se déplacer seulement sur la surface du fil).
- Supraconducteurs en céramique ( "perovskites") sont en métal-oxyde de céramique qui, normalement, ont un ratio de 2 atomes de métal de plus de 3 atomes d'oxygène. Ils affichent plus TCS.
- Superconducting cuprates (oxydes de cuivre) peut atteindre la plus haute température critique entre les supraconducteurs de type II.
- Supraconducteurs organiques sont de la partie organique chef de famille (sels moléculaire, les polymères et les systèmes de carbone pur y compris les nanotubes de carbone et de composés C60). Molecular sels ont une faible Tc chambre à pression (0.4-12 K), de l'ordre de type I supraconducteurs. L'avantage est qu'ils montrent beaucoup plus Bc, dans (TMTSF) 2PF6 la critique champ magnétique est d'environ 6T, un ordre de grandeur plus élevé que d'habitude BCS.
- Borocarbides sont un des moins compris supraconducteur. Elles sont formées de métaux ferromagnétiques de transition (il a été jugé impossible). Lorsque combiné avec des éléments propres comme l'holmium, ils retrait par rapport à l'état supraconducteur pour certaine température Tc-dessous. Elles ont été découvertes en 1993 par Bob Cava.
- Fermions lourds sont des composés contenant des terres rares éléments tels que la CE ou Yb, actinides ou des éléments tels que U. À basses températures, certains de ces matériaux afficher la supraconductivité. Le mécanisme n'est pas complètement compris, certaines théories proposent la présence de paires de Cooper formé par l'interaction avec l'électron tourne au lieu de treillis phonons. La première observation a été faite par E. Bucher, et al, en 1973, mais il n'a pas été reconnue comme la supraconductivité jusqu'en 1979. Leur température de transition sont de l'ordre de type I supraconducteurs.
Supraconducteurs et de la technologie
Sustentation magnétique: Effet Meissner sur les supraconducteurs en céramique est utilisée pour garder les trains lévitation. La lévitation magnétique trains peuvent circuler à une vitesse d'environ 400 Km / h. Même lorsque la technologie est tout à fait au point, économique et les questions d'environnement ont retardé son utilisation généralisée. Voir aussi:
- Qu'est-ce que la lévitation magnétique?
- Quels sont les véhicules à sustentation magnétique?
- Qu'est-ce qu'un lévitation magnétique Train?
- Comment un train à sustentation magnétique?
Superconducting Lignes de transport: Dans le Brookhaven National Laboratory, prototype de lignes de transmission supraconducteurs de transport de 1000 MW de puissance dans un boîtier de 40 cm de diamètre. Si l'échelle des problèmes ne se pose pas, il serait possible de transporter la pleine production d'une centrale électrique avec une seule ligne. Superconducting lignes permettrait d'économiser les 10% -15% de l'énergie, le montant généralement dissipée dans les lignes de transmission. Le problème à résoudre encore, c'est que les supraconducteurs qui peuvent être la forme de fils à ce jour doivent être réfrigérés à l'hélium liquide (très cher). Supraconducteurs haute Tc sont difficiles et ne peut être façonné en fils.
Industrie électronique: CITP International et Superconductor Technologies sont actuellement offrant ultra-haute performance des filtres basés sur des fils supraconducteurs. Ayant près de zéro la résistance, même à de hautes fréquences, de nombreux stades de plusieurs filtres peuvent être appliquées afin d'obtenir la fréquence désirée. Ceci est utile dans l'industrie de la téléphonie cellulaire, entre autres.
Ordinateurs:
- Processeurs à des matériaux supraconducteurs sont parmi les technologies concurrentes dans la course pour obtenir petaflop ordinateurs.
- Récemment, il a également fait observer que le faible champ magnétique qui pénètre dans les supraconducteurs de type II peut être utilisé pour stocker et récupérer l'information numérique.
Les utilisations militaires:
- Supraconducteurs à micro-antenne: ruban supraconducteur est utilisé pour réduire la longueur des antennes basses fréquences employées sur les sous-marins.
- E-bombes: un aimant supraconducteur crée une forte impulsion électromagnétique qui désactive l'ennemi du matériel électronique. Il a été utilisé dans la guerre avec l'Iraq sur une station de radio.
Certaines des applications intéressantes apparaissent dans le domaine des aimants supraconducteurs. Voir «Qu'est-ce qu'un Ring-forme Superconductor utilisé?" pour plus de détails.
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