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O que é um Superconductor?
Um superconductor é uma substância que conduz uma corrente elétrica com resistência zero. Superconduction é uma fase estatal (como os estados de sólidos e líquidos, a água); como tal, ela depende da temperatura, entre outras variáveis. A temperatura em que a transição ocorre é a temperatura crítica (Tc). Em 1911, H. Kammerlingh Onnes descobriu supercondutividade trabalham mais de mercúrio.
Supercondutores são classificadas como tipo I ou tipo II em função da sua transição comportamento. No Tipo I, resistência cai a zero abruptamente quando é atingido Tc; Tipo II supercondutores possuem uma zona mista de superconductor e não superconductor comportamento.
Algumas características dos supercondutores:
- Metais que o apoio crítico supercondutividade ter temperaturas próximas dos zero absoluto (Tipo I).
- Algumas cerâmicas podem alcançar superconductor estado em temperaturas mais elevadas (Tipo II).
- A última patenteada superconductor tem uma Tc = 150 K.
- Alta Tc supercondutores pode ser sustentado com mais barato refrigeração como os sistemas baseados em nitrogênio líquido (o japonês trem maglev usa esse sistema).
- Todos os supercondutores encontrados até agora são sólidos.
Electric condução implica perdas de energia devido à resistência da realização material. A energia é liberada como calor. As principais conseqüências indesejáveis são a necessidade de manter a fornecer energia para sustentar o actual eo possível realizar a queima de comunicação social. Um curso normal em um anel metálico irá decadência rapidamente; se o anel é supercondutores, ele irá mostrar perpétuo movimento (o decaimento constante de mais de mil milhões de anos!). Ver "O que é um anel em forma de Superconductor utilizado?" para obter mais detalhes.
A investigação no domínio dos supercondutores é uma área quente. Novos materiais supercondutores são descobertos em uma base regular e sua aplicações tecnológicas são infinitas. Novas descobertas vigor a revisão das teorias e aceite que é, por agora, um fenômeno não totalmente compreendido.
Propriedades magnéticas de uma Superconductor
Mesmo quando estudos recentes diamagnetism descartado como uma generalizada propriedade; é uma propriedade muito bem documentados da maior parte dos supercondutores e é uma das formas de o conseguir levitação magnética.
Meissner efeito: Em 1933 Robert Walter Meissner e Ochsenfeld descobriu que um material supercondutor irá repelir um campo magnético. Se um ímã jogadas perto de um maestro, electromagnéticas são correntes induzidas no condutor. Este é o princípio subjacente geradores eléctricos. Se for utilizado um superconductor vez, o espelho por correntes induzidas exatamente o que provoca o campo magnético para ser repugna. Um ímã pode realmente levitate longo de um material supercondutores.
O efeito Meissner foi descartado como uma propriedade geral, em 1997, quando uma liga de ouro e índio foi encontrado para ser tanto um superconductor e um ímã natural, a uma temperatura muito próximo de zero absoluto. Desde então, outros compostos foram encontrados com a mesma propriedade.
Tipo I supercondutores
São caracterizados por um forte transição para um supercondutor perfeito estado e diamagnetism (a capacidade de repelir um campo magnético completamente). A condutividade curva vs temperatura a pressão constante mostra uma diminuição normal com temperatura de até uma temperatura crítica transição (conhecido como Tc) abaixo do qual a condutividade é zero (no erro experimental). A temperatura crítica é geralmente muito baixa (0-5 K), sendo Chumbo (Pb) a um maior com 7,196 K.
Trinta materiais mentira neste grupo. Eles são Metalóides e metais que mostram alguns condutividade à temperatura ambiente. Os melhores condutores metálicos (cobre, prata e ouro) não estão entre os Tipo I supercondutores.
| 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 |
| Tl | 2,39 |
| Nb | 9,46 |
| Em | 3,408 |
| Sn | 3,722 |
| Hg | 4,153 |
| Ta | 4,47 |
| V | 5,38 |
A explicação é dada por aceitou Teoria BCS.
Teoria BCS: As vibrações moleculares na lattice abrandar quando a temperatura desce, abaixo da temperatura crítica esta falta de circulação permite que o fluxo de elétrons, sem qualquer obstáculo que se traduzem em supercondutividade. Um fator interessante desta teoria é a aparência de Cooper pares (os elétrons mover acoplado em pares).
Cooper Pairs: A vibração no lattice é tão pequena que a presença dos elétrons realmente afeta a posição dos núcleos circundante. Um movimento de elétrons produz um efeito de ondulação a lattice que irá impulsionar a circulação de um segundo elétron acoplamento de ambos através da troca de um phonon (quanta lattice de vibração energética). Esses dois elétrons formam um par Cooper. A par será localizada em movimento (a mesma magnitude, mas que se deslocam ímpeto em sentido inverso) e unlocalized no espaço (para além de poderem ser espacialmente até 100 nanômetros, quando a separação entre dois núcleos consecutivos é 0.1-0.4 nm). Elétrons são "fermiões" (isto é, são carregadas electricamente e, como tal, eles repelem mutuamente); superconductor no âmbito estadual, mas se comportam como sofrer uma transição para o estado fundamental que só está disponível para bosons (partículas sem carga elétrica, são corações nêutrons) . A solução para este "problema" é a criação de pares Cooper; acoplado a par de elétrons comporta como um Boson. Experimental corroboração de uma interacção com a lattice foi dada pelo isótopo efeito sobre a transição supercondutor temperatura.
Tipo II supercondutores
Tipo II supercondutores mostram uma transição gradual a partir de um estado normal para um supercondutor em toda uma região de "estado misto" comportamento. Tipo II supercondutores são também conhecidos como os supercondutores e duro lattice estrutura desempenha um papel vital neste caso. Não há qualquer um modelo completo para explicar Tipo II supercondutores na forma como Teoria BCS explica Tipo I. Algumas Tipo II supercondutores mostram críticos temperaturas mais elevadas tornando as aplicações tecnológicas viáveis. Outros podem manter o estado em superconductor muito elevadas aplicadas campo magnético. Há também aqueles que estão na faixa de Tipo I Tc e apoiado campos magnéticos.
Devido à zona mista, cerca de penetração por um campo magnético externo (B) em sua superfície será permitido. Como consequência, os novos fenómenos como mesoscópica supercondutores "listras" e de "fluxo de lattice vértices" pode ser observada. Esta penetração parcial dá o campo magnético aplicado poder de quebrar a supercondutividade estado (crítica campo magnético BC). Em Tipo II supercondutores, temperatura e campo magnético aplicado serão as principais variáveis da fase diagrama.
O primeiro tipo II superconductor, uma liga de chumbo e de bismuto, foi criada em 1930 por W. de Haas e J. Voogd. As suas propriedades supercondutoras não foram observados até que o efeito Meissner foi descoberto. Até à data, ao mais alto Tc pressão é obtido, na sala 138 K para um stoichiometric material (formado por fórmula) e 150k de uma patente pendente de material que não faça stoichiometrically.
Diferentes compostos famílias têm demonstrado que tenham características supercondutores tipo II; uma breve classificação seguinte:
- As substâncias mais abundantes que exibem supercondutividade Tipo II são compostos metálicos e ligas. Conhecido excepções são os elementos vanádio, nióbio e tecnécio.
- Combinações de vanádio, nióbio e Tecnécio são utilizados na fabricação de magnetos supercondutores. Nióbio-estanho e nióbio-titânio moldada em fios apoio elevado campos magnéticos, as suas forças Tc refrigeração com o hélio líquido. Geralmente eles são finos filamentos (20. M) incorporados em uma matriz de cobre para maximizar a afetividade (apenas mover os encargos sobre a superfície do fio).
- Cerâmicos supercondutores ( "perovskites") são metal-óxido de cerâmica que normalmente têm um rácio de 2 de metal átomos ao longo de 3 átomos de oxigênio. Eles exibem maior SCT.
- Supercondutores cuprates (cobre-óxidos) pode atingir a temperatura crítica mais alta entre os supercondutores tipo II.
- Supercondutores orgânicos são parte da família biológica condutor (sais moleculares, polímeros e sistemas de carbono puro, incluindo os nanotubos de carbono e compostos C60). Molecular sais têm baixa pressão, na sala Tc (0.4-12 K), na faixa de Tipo I supercondutores. A vantagem é que revelam uma muito maior aC; em (TMTSF) 2PF6 o campo magnético é crítica em torno 6T, uma ordem de grandeza mais elevada do que o habitual BCS.
- Borocarbides são uma das menos-entendido superconductor sistemas. Eles são formados a partir de metais ferromagnéticos transição (pensou-se impossível). Quando combinados com elementos peculiares como Hólmio, eles recuo a partir do superconductor estatais para determinadas temperaturas abaixo Tc. Eles foram descobertos em 1993 por Bob Cava.
- Heavy fermiões são compostos de terras raras contendo elementos tais como Ce ou Yb, ou actinídeos U. elementos, tais como a baixas temperaturas, algumas dessas matérias exibir supercondutividade. O mecanismo não é totalmente compreendido, algumas teorias propor a presença de Cooper pares formados por interacção com o elétron gira em vez de lattice phonons. A primeira observação foi feita por E. Bucher, et al, em 1973, mas não foi reconhecido como supercondutividade até 1979. A sua passagem temperaturas estão na faixa de Tipo I supercondutores.
Supercondutores e Tecnologia
Magnetic Levitation: Efeito Meissner supercondutores em cerâmica é usada para manter a levitating comboios. Magnetic Levitating comboios possam circular a velocidades de cerca de 400 km / h. Mesmo quando a tecnologia está plenamente desenvolvida, econômicas e as questões ambientais têm atrasado o seu uso generalizado. Veja também:
- O que é Magnetic Levitation?
- Quais são Magnetic Levitation Veículos?
- O que é um MagLev comboio?
- Como é que um comboio MagLev trabalho?
Supercondutores Linhas de Transmissão: Em Brookhaven National Laboratory, protótipo supercondutores transmissão linhas transportes 1000 MW de potência dentro de um recinto diâmetro de 40 cm. Se não surgir problemas escala, seria possível transportar o total de saída de uma central eléctrica com uma única linha. Supercondutores linhas pouparia os 10% -15% de energia, o montante normalmente dissipada nas linhas de transporte. O problema a ser resolvido é que ainda supercondutores que pode ser moldado como fios até agora precisam ser refrigerados com o hélio líquido (muito caro). Alta Tc supercondutores são difíceis e não pode ser moldada em fios.
Indústria electrónica: CITP Internacional e Superconductor Technologies estão actualmente a oferta de ultra-alta performance filtros baseados em fios supercondutores. Tendo perto de zero resistência, mesmo em altas freqüências, muitas fases mais filtro pode ser aplicado para obter a freqüência desejada. Isso é útil no telefone celular da indústria, entre outros.
Computadores:
- Processadores baseados em materiais supercondutores estão entre as tecnologias concorrentes na corrida para obter petaflop computadores.
- Recentemente, também foi observado que o pequeno campo magnético que penetra supercondutores tipo II pode ser usado para armazenar e recuperar a informação digital.
Militares usos:
- Supercondutores microondas antena: supercondutores fita é utilizado para reduzir o comprimento de baixa frequência antenas empregadas em submarinos.
- E-bombas: superconductor um ímã gera um pulso forte electromagnéticas que desativa o inimigo do equipamento electrónico. Foi utilizado na guerra com o Iraque ao longo de uma estação de rádio.
Alguns parecem interessantes aplicações no domínio dos magnetos supercondutores. Ver "O que é um anel em forma de Superconductor utilizado?" para obter mais detalhes.
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