Hvad er en superleder? Definition, typer og anvendelser

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


En superleder er et materiale, der, når det afkøles til under en temperatur kaldet den kritiske temperatur, pludselig mister al sin elektriske modstand, hvilket gør det muligt for det at lede elektricitet uden tab af energi . Disse materialer udviser også en meget ejendommelig magnetisk egenskab: de er perfekt diamagnetiske stoffer, det vil sige, de udelukker magnetiske feltlinjer. Det betyder, at når de placeres i nærheden af ​​en magnet, passerer magnetfeltlinjerne gennem siderne, men trænger ikke ind i materialet.

Når en elektrisk strøm induceres i et superledende materiale, såsom en cirkulær ledning, fortsætter denne strøm med at flyde i det uendelige, så længe materialet forbliver koldt. Denne strøm uden modstand kaldes superstrøm og bruges blandt andet til at generere meget stærke magnetfelter.

Superledning, det vil sige et materiales egenskab til at blive en superleder under den kritiske temperatur, blev opdaget i 1911 og fuldstændig bedøvet datidens fysikere. Det tog mere end to årtier, før dets diamagnetiske egenskaber (kaldet Meissner-effekten ) blev opdaget, og næsten et halvt århundrede, før fysikere kunne forklare, hvorfor superledning opstår. Det var i 1957, da John Bardeen, Leon Cooper og Bob Schrieffer løste problemet, som gav dem Nobelprisen i fysik i 1972.

Kritiske temperatur- og højtemperatur-superledere

Den første superleder, der blev opdaget, har en kritisk temperatur på kun 3,6 K, hvilket svarer til -269,6 °C. At generere og opretholde så lave temperaturer er ekstremt vanskeligt, hvilket har begrænset brugen af ​​superledere til en håndfuld meget specifikke applikationer, som vi vil se senere i denne artikel.

Af denne grund er der hundredvis af videnskabsmænd rundt om i verden, som konstant arbejder på udviklingen af ​​superledere med en kritisk temperatur tæt på stuetemperatur. Disse materialer kaldes højtemperatur-superledere.

Tidlige fremskridt hævede den kritiske temperatur med et par titusgrader, men for nylig er der for første gang udviklet en superleder med en kritisk temperatur på 14,5 °C.

typer af superledere

Der er grundlæggende to typer superledere, afhængigt af deres sammensætning og den måde, de interagerer med magnetiske felter.

Type I superledere

Disse var de første, der blev opdaget. Det er rene grundstoffer, der udviser Meissner-effekten, det vil sige, at de frastøder magnetiske felter, når de er under den kritiske temperatur. Generelt har de en enkelt kritisk temperatur, der er karakteristisk for hvert materiale, og faldet i elektrisk modstand under den kritiske temperatur er brat.

Type II superledere

Disse består af blandinger af forskellige elementer, der kombineres for at danne legeringer eller keramiske materialer, der udviser superledning. Det, der gør dem anderledes end type I-superledere, er, at det elektriske modstandsfald er gradvist, så de har to kritiske temperaturer: en når modstanden begynder at falde og en anden når den når nul.

Et andet vigtigt træk ved denne type superleder er, at hvis der påføres et stærkt nok eksternt magnetfelt, mister materialet sin superledning.

Anvendelse af superledere

partikelacceleratorer

Den måske mest imponerende anvendelse af superledere til dato er inden for videnskabelig forskning omkring partikelfysik. Superledere bruges i de elektromagneter, der holder partikelstrålen indespærret i Large Hadron Collider, en af ​​de største maskiner bygget af mennesker.

termonuklear kraft

Nuklear fusion har været drømmekilden til ren energi i 100 år. Men for at få nuklear fusion til at ske og for at opretholde den, skal gasformigt brint og helium varmes op til 100 millioner grader Celsius, når det snurrer inde i en hul doughnut kaldet en Tokamak, hvor den er begrænset af kraftige elektromagneter lavet af superledere. .

kvanteberegning

En af de mest lovende implementeringer af kvanteberegning bruger superledende kredsløb, som er afgørende for dens drift.

superledere i kvanteberegning
Superledere i kvanteberegning

Medicinsk diagnostisk billeddannelse

Udviklingen af ​​superledere har muliggjort skabelsen af ​​medicinsk billeddiagnostisk udstyr og teknikker, som ikke var mulige før. En af disse teknikker er SQUID magnetoencefalografi, som er i stand til at detektere ændringer i magnetiske felter på en milliardtedel af det magnetiske felt, der er nødvendigt for at bevæge en kompasnål.

Ny billedbehandling takket være superledere
MR-tunnel

elproduktion

Endelig er en anden nyere anvendelse brugen af ​​el-generatorer lavet af superledende ledning i stedet for kobbertråd. Disse generatorer er meget mere effektive end konventionelle, og meget mindre og lettere.

Referencer

Charles Slichter (2007). Introduktion til superledningshistorien (for fysikstuderende og videnskabsmænd). Hentet fra https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (oktober 2020). Den første superleder ved stuetemperatur begejstrer – og forvirrer – videnskabsmænd. Nature 586, 349. Hentet fra https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  et al.  (2020). Stuetemperatur superledningsevne i et kulholdigt svovlhydrid. Nature  586,  373–377. Hentet fra https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas

-Reklame-

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

Artículos relacionados

Flammefarvetesten