Какво е свръхпроводник? Определение, видове и приложения

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.

Свръхпроводникът е материал, който, когато се охлади под температура, наречена критична температура, внезапно губи цялото си електрическо съпротивление, което му позволява да провежда електричество без загуба на енергия . Тези материали също проявяват много странно магнитно свойство: те са напълно диамагнитни вещества, тоест изключват линиите на магнитното поле. Това означава, че когато се поставят близо до магнит, линиите на магнитното поле преминават през страните, но не проникват в материала.

Когато електрически ток се индуцира в свръхпроводящ материал, като кръгъл проводник, този ток продължава да тече безкрайно дълго, докато материалът остава студен. Този ток без съпротивление се нарича свръхток и се използва, наред с други неща, за генериране на много силни магнитни полета.

Свръхпроводимостта, тоест свойството на материала да се превръща в свръхпроводник под критичната температура, е открито през 1911 г. и напълно зашеметява тогавашните физици. Отне повече от две десетилетия, преди да бъдат открити неговите диамагнитни свойства (наречени ефект на Майснер ) и почти половин век, преди физиците да успеят да обяснят защо възниква свръхпроводимостта. Беше през 1957 г., когато Джон Бардийн, Леон Купър и Боб Шрифър решиха проблема, който им спечели Нобеловата награда за физика през 1972 г.

Критични температури и високотемпературни свръхпроводници

Първият открит свръхпроводник има критична температура от само 3,6 K, което е еквивалентно на -269,6 °C. Генерирането и поддържането на такива ниски температури е изключително трудно, което ограничава използването на свръхпроводници до шепа много специфични приложения, както ще видим по-късно в тази статия.

Поради тази причина има стотици учени по света, които непрекъснато работят върху разработването на свръхпроводници с критична температура, близка до стайната. Тези материали се наричат ​​високотемпературни свръхпроводници.

Ранният напредък повиши критичната температура с няколко десетки градуса, но наскоро за първи път беше разработен свръхпроводник с критична температура от 14,5 °C.

видове свръхпроводници

Има основно два вида свръхпроводници в зависимост от техния състав и начина, по който взаимодействат с магнитните полета.

Свръхпроводници тип I

Това бяха първите открити. Това са чисти елементи, които проявяват ефекта на Майснер, тоест отблъскват магнитните полета, когато са под критичната температура. Като цяло те имат една единствена критична температура, която е характерна за всеки материал, и спадът на електрическото съпротивление под критичната температура е рязък.

Свръхпроводници тип II

Те се състоят от смеси от различни елементи, които се комбинират, за да образуват сплави или керамични материали, които показват свръхпроводимост. Това, което ги прави различни от свръхпроводниците тип I е, че спадът на електрическото съпротивление е постепенен, така че те имат две критични температури: една, когато съпротивлението започне да пада, и една, когато съпротивлението достигне нула.

Друга важна характеристика на този тип свръхпроводник е, че ако се приложи достатъчно силно външно магнитно поле, материалът губи своята свръхпроводимост.

Използване на свръхпроводници

ускорители на частици

Може би най-впечатляващото приложение на свръхпроводниците досега е в областта на научните изследвания около физиката на елементарните частици. Свръхпроводниците се използват в електромагнитите, които поддържат лъча от частици в Големия адронен колайдер, една от най-големите машини, създадени от човека.

термоядрена енергия

Ядреният синтез е мечтаният източник на чиста енергия от 100 години. Въпреки това, за да се случи ядрен синтез и да се поддържа, газообразният водород и хелий трябва да се нагреят до 100 милиона градуса по Целзий, докато се въртят в куха поничка, наречена Токамак, където са затворени от мощни електромагнити, направени от свръхпроводници.

квантово изчисление

Едно от най-обещаващите приложения на квантовите изчисления използва свръхпроводящи вериги, които са от съществено значение за работата му.

свръхпроводници в квантовите изчисления
Свръхпроводници в квантовите изчисления

Образна медицинска диагностика

Развитието на свръхпроводниците позволи създаването на медицински образни диагностични устройства и техники, които не бяха възможни преди. Една от тези техники е магнитоенцефалографията SQUID, която е в състояние да открие промени в магнитните полета на една милиардна част от магнитното поле, необходимо за движение на стрелка на компас.

Ново изображение благодарение на свръхпроводниците
ЯМР тунел

производство на електроенергия

И накрая, друго скорошно приложение е използването на генератори на електричество, направени от свръхпроводяща жица вместо медна жица. Тези генератори са много по-ефективни от конвенционалните и много по-малки и по-леки.

Препратки

Чарлз Слихтер (2007). Въведение в историята на свръхпроводимостта (за студенти по физика и учени). Извлечено от https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (октомври 2020 г.). Първият свръхпроводник със стайна температура вълнува и озадачава учените. Nature 586, 349. Извлечено от https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  et al.  (2020 г.). Свръхпроводимост при стайна температура във въглероден серен хидрид. Nature  586,  373–377. Извлечено от https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados