Che cos'è un superconduttore?
Un superconduttore è una sostanza che conduce una corrente elettrica con zero resistenza. Superconduction è una fase di Stato (come i liquidi e solidi stati di acqua); come tale, dipende dalla temperatura tra le altre variabili. La temperatura di transizione in cui si svolge è la temperatura critica (Tc). Nel 1911, H. Kammerlingh Onnes scoperto superconduttività di lavoro nel corso di mercurio.
Superconduttori sono classificate come di tipo I o di tipo II a seconda del loro comportamento di transizione. In Tipo I, la resistenza scende bruscamente a zero quando viene raggiunto Tc; superconduttori di tipo II in possesso di un misto di zona superconduttore e non superconduttore comportamento.
Alcune caratteristiche di superconduttori:
- Metalli che supportano la superconduttività sono critici temperature vicino alla zero assoluto (Tipo I).
- Alcune ceramiche può raggiungere stato superconduttore a temperature più alte (tipo II).
- L'ultimo brevettato superconduttore ha un Tc = 150 K.
- Superconduttori ad alta Tc possono essere sostenute con più economici di refrigerazione, come azoto liquido sistemi basati su (i giapponesi treno Maglev utilizza questo sistema).
- Tutti i superconduttori trovati finora sono solidi.
Conduzione elettrica comporta perdite di energia a causa della resistenza della conduzione di materiale. L'energia è liberata in calore. Le principali conseguenze indesiderabili sono la necessità di mantenere la fornitura di energia per mantenere la corrente e la possibilità di combustione di condurre i mezzi di informazione. Una corrente in un normale anello di metallo si decadimento rapidamente, se l'anello è superconduttori, verrà visualizzato perpetuo movimento (il decadimento costante di oltre un miliardo di anni!). Vedere "Che cos'è un anello a forma di superconduttore serve?" per maggiori dettagli.
Ricerca nel campo dei superconduttori è un campo caldo. Nuovi materiali superconduttori sono scoperto in base regolare e le sue applicazioni tecnologiche sono infinite. Nuove scoperte vigore della revisione della accettato teorie ed è, per ora, un fenomeno non completamente compreso.
Proprietà magnetiche di un superconduttore
Anche se studi recenti Diamagnetismo scartato come un generalizzato di proprietà, ma è molto ben documentato di proprietà della maggior parte dei superconduttori, ed è uno dei modi per raggiungere levitazione magnetica.
Meissner entrata in vigore: Nel 1933 Walter Meissner e Robert Ochsenfeld scoperto che un superconduttore materiale respingere un campo magnetico. Se un magnete si muove vicino ad un conduttore, le correnti elettromagnetiche sono indotti nel conduttore. Questo è il principio alla base generatori elettrici. Se un superconduttore è usato invece, le correnti indotte specchio esattamente il campo causa il magnete di essere repulsed. Un magnete può effettivamente levitare nel corso di un materiale superconduttori.
La Meissner effetto è stato eliminato come un generale di proprietà, nel 1997, quando una lega di oro e indio è risultato essere un superconduttore e un magnete naturale ad una temperatura molto vicino a zero assoluto. Da allora, altri composti sono stati trovati con le stesse proprietà.
Superconduttori di tipo I
Essi sono caratterizzati da un forte transizione verso un superconduttore perfetto stato e Diamagnetismo (la capacità di respingere un campo magnetico completamente). La curva di conducibilità vs temperatura a pressione costante si presenta con un normale calo a temperatura fino ad una temperatura critica di transizione (noto come Tc) al di sotto del quale la conducibilità è pari a zero (in un raggio di errore sperimentale). La temperatura critica è di solito molto basso (0-5 K), essendo di piombo (Pb) superiore a 7,196 uno K.
Trenta materiali si trovano in questo gruppo. Essi sono i metalli e metalloidi che mostrano alcuni conducibilità a temperatura ambiente. I migliori conduttori metallici (rame, argento e oro) non sono tra i Tipo I superconduttori.
| Materiale | Tc |
|---|---|
| Essere | 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 |
| ° | 1,4 |
| Re | 1,4 |
| Tl | 2,39 |
| Nb | 9,46 |
| In | 3,408 |
| Sn | 3,722 |
| Hg | 4,153 |
| Di | 4,47 |
| V | 5,38 |
Accettiamo la spiegazione è data dalla teoria BCS.
Teoria BCS: Il molecolare vibrazioni nel reticolo rallentare quando la temperatura scende, sotto la temperatura critica questa mancanza di circolazione consente il flusso di elettroni senza alcun ostacolo che si traduce in superconduttività. Un fattore interessante di questa teoria è l'aspetto di coppie di Cooper (spostare gli elettroni accoppiati a coppie).
Coppie di Cooper: La vibrazione nel reticolo è così piccolo che la presenza degli elettroni ma colpisca di fatto la posizione dei nuclei circostanti. Un movimento di elettroni che produce un effetto nel reticolo propulsione che il movimento di un elettrone secondo aggancio ciascuno di essi attraverso lo scambio di un fonone (quanti del reticolo vibrazioni di energia). Questi due elettroni formano una coppia di Cooper. La coppia sarà localizzata in slancio (stesso slancio grandezza, ma si spostano in direzione opposta) e unlocalized nello spazio (possono essere spazialmente oltre fino a 100 nanometri, quando la distanza tra due nuclei è 0.1-0.4 nm). Elettroni sono "fermioni" (vale a dire che essi sono elettricamente carica e in quanto tali, gli assalitori a vicenda), ma sotto superconduttore di Stato si comportano come la sofferenza di una transizione fondamentale che è stato disponibile solo per i bosoni (particelle senza carica elettrica, i neutroni sono petti) . La soluzione a questo "problema" è la creazione di coppie di Cooper; accoppiati coppia di elettroni si comporta come un bosone. Conferma sperimentale di una interazione con il reticolo è stato fornito da isotopo effetto sulla temperatura di transizione superconduttore.
Superconduttori di tipo II
Superconduttori di tipo II mostrano una graduale transizione da un normale ad un superconduttore stato in tutta la regione di "stato misto" comportamento. Superconduttori di tipo II sono noti anche come hard superconduttori e il reticolo struttura svolge un ruolo essenziale in questo caso. Non vi è un completo modello di spiegare superconduttori di tipo II nel modo in cui spiega Teoria BCS Tipo I. Alcuni superconduttori di tipo II mostrano critici temperature più elevate di applicazioni tecnologiche vitali. Altri possono mantenere lo stato in superconduttore molto elevato campo magnetico applicato. Ci sono anche quelli che sono nella gamma di Tipo I Tc e sostenuto campi magnetici.
A causa della zona mista, alcuni di penetrazione da parte di un campo magnetico esterno (B) nella sua superficie sarà consentito. Di conseguenza, nuovi fenomeni come mesoscopica superconduttori "strisce" e "flusso-reticolo di vortici" può essere osservato. Questa parziale penetrazione dà il campo magnetico applicato potere di spezzare la superconduttività Stato (critico campo magnetico aC). In superconduttori di tipo II, la temperatura e campo magnetico applicato saranno i principali variabili del diagramma di fase.
Il primo superconduttore di tipo II, una lega di piombo e di bismuto, è stato creato nel 1930 da W. de Haas e J. Voogd. Superconduttori sua proprietà non sono state osservate fino a quando il Meissner effetto è stato scoperto. Fino ad oggi, la più alta Tc disponibili presso camera di pressione è 138 K per un rapporto stechiometrico materiale (formato da formula) e 150K per un brevetto è in attesa di materiale che non costituisce stoichiometrically.
Diversi nuclei familiari composti hanno dimostrato di avere superconduttore di tipo II caratteristiche; una breve classificazione segue:
- Il più abbondante sostanze che visualizzano superconduttività di tipo II sono composti metallici e leghe. Eccezioni sono noti gli elementi di vanadio, niobio e tecnezio.
- Combinazioni di vanadio, tecnezio Niobio e sono utilizzati nella fabbricazione di magneti superconduttori. Niobio-stagno e di niobio-titanio a forma di fili di sostegno in campi magnetici ad alta, la loro Tc forze di refrigerazione con l'elio liquido. Di solito sono sottili filamenti (20. M) incorporato in una matrice di rame al fine di massimizzare l'affettività (le accuse spostare solo sulla superficie del filo).
- Superconduttori in ceramica ( "perovskites") sono di ossido di metallo-ceramica che normalmente hanno un rapporto di 2 atomi di metallo su 3 atomi di ossigeno. Essi visualizzazione superiore TCS.
- Superconduttori cuprates (rame-ossidi) può raggiungere la più alta temperatura critica tra i superconduttori di tipo II.
- Superconduttori organici sono parte organica della famiglia del conduttore (molecolare sali, polimeri e puro carbonio ivi compresi i sistemi di nanotubi di carbonio e composti C60). Molecolare sali Tc avere una bassa pressione a camera (0.4-12 K), nella gamma di Tipo I superconduttori. Il vantaggio che uno spettacolo è molto più elevato Bc; (TMTSF) 2PF6 la critica campo magnetico è di circa 6T, un ordine di grandezza superiore a quello abituale BCS.
- Borocarbides sono uno dei meno capito superconduttore sistemi. Sono formate da ferromagnetici metalli di transizione (si pensava impossibile). Se combinati con particolari elementi come olmio, si ritiri dal superconduttore stato per alcuni temperatura sotto Tc. Essi sono stati scoperti nel 1993 da Bob Cava.
- Fermioni pesanti sono composti contenenti terre rare elementi come ad esempio Ce o Yb, o attinidi elementi quali U. a basse temperature, alcuni di questi materiali visualizzazione superconduttività. Il meccanismo non è completamente compreso, alcune teorie proporre la presenza di coppie di Cooper formata da interazione con l'elettrone gira invece di lattice fononi. La prima osservazione è stata fatta da E. Bucher, et al, nel 1973, ma non è stata riconosciuta come superconduttività fino al 1979. Loro transizione temperature sono nella gamma di Tipo I superconduttori.
Superconduttori e della Tecnologia
Levitazione magnetica: Effetto Meissner ceramica a superconduttori viene utilizzato per mantenere i treni levitating. Magnetico Levitating treni possono muoversi a velocità di circa 400 Km / h. Anche quando la tecnologia è pienamente sviluppato, economici e ambientali hanno ritardato il suo uso generalizzato. Vedi anche:
- Che cosa è levitazione magnetica?
- Quali sono i veicoli levitazione magnetica?
- Che cos'è un treno Maglev?
- Come può un treno Maglev lavoro?
Superconduttori Trasmissione Lines: Brookhaven National Laboratory, superconduttori prototipo di trasporto linee di trasmissione di 1000 MW di potenza all'interno di un recinto del diametro di 40 cm. Se scala problemi non si pongono sarebbe possibile trasportare la piena produzione di una centrale elettrica con una sola riga. Superconduttori linee di salvare il 10% -15% di energia, l'importo di solito dissipata in linee di trasmissione. Il problema da risolvere è che ancora superconduttori che possono essere a forma di fili, come sinora devono essere refrigerati con elio liquido (molto costoso). Superconduttori ad alta Tc sono duri e non può essere in forma di fili.
Industria elettronica: ISCO International e superconduttore tecnologie sono attualmente offrendo ad altissime prestazioni filtri basati su filo superconduttore. Avendo vicino allo zero resistenza, anche alle alte frequenze, molti di più fasi filtro può essere applicato per ottenere la frequenza desiderata. Ciò è utile nel settore del telefono cellulare tra gli altri.
Computer:
- Trasformatori con sede in materiali superconduttori sono tra le tecnologie concorrenti in gara per ottenere petaflop computer.
- Di recente è stato anche osservato che il piccolo campo magnetico che penetra superconduttori di tipo II possono essere utilizzati per archiviare e recuperare le informazioni digitali.
Usi militari:
- Superconduttori a microonde antenna: superconduttori nastro è utilizzato per ridurre la lunghezza di antenne a bassa frequenza impiegati su sommergibili.
- E-bombe: un magnete superconduttore crea un forte impulso elettromagnetico che disabilita il nemico elettroniche. E 'stato utilizzato nella guerra con l'Iraq più di una stazione radio.
Alcune interessanti applicazioni appaiono nel campo dei magneti superconduttori. Vedere "Che cos'è un anello a forma di superconduttore serve?" per maggiori dettagli.
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