Τι είναι ένας υπεραγωγός; Ορισμός, τύποι και χρήσεις

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


Ένας υπεραγωγός είναι ένα υλικό που, όταν ψύχεται κάτω από μια θερμοκρασία που ονομάζεται κρίσιμη θερμοκρασία, χάνει ξαφνικά όλη την ηλεκτρική αντίστασή του, επιτρέποντάς του να μεταφέρει ηλεκτρισμό χωρίς απώλεια ενέργειας . Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν επίσης μια πολύ ιδιόμορφη μαγνητική ιδιότητα: είναι τέλεια διαμαγνητικές ουσίες, δηλαδή αποκλείουν τις γραμμές μαγνητικού πεδίου. Αυτό σημαίνει ότι όταν τοποθετούνται κοντά σε μαγνήτη, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου περνούν από τις πλευρές, αλλά δεν διεισδύουν στο υλικό.

Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα προκαλείται σε ένα υπεραγώγιμο υλικό, όπως ένα κυκλικό σύρμα, αυτό το ρεύμα συνεχίζει να ρέει απεριόριστα όσο το υλικό παραμένει κρύο. Αυτό το ρεύμα χωρίς αντίσταση ονομάζεται υπερρεύμα και χρησιμοποιείται, μεταξύ άλλων, για τη δημιουργία πολύ ισχυρών μαγνητικών πεδίων.

Η υπεραγωγιμότητα, δηλαδή η ιδιότητα ενός υλικού να γίνεται υπεραγωγός κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία, ανακαλύφθηκε το 1911 και κατέπληξε εντελώς τους φυσικούς της εποχής. Χρειάστηκαν περισσότερες από δύο δεκαετίες για να ανακαλυφθούν οι διαμαγνητικές του ιδιότητες (που ονομάζεται φαινόμενο Meissner ) και σχεδόν μισός αιώνας προτού οι φυσικοί μπορέσουν να εξηγήσουν γιατί συμβαίνει η υπεραγωγιμότητα. Ήταν το 1957 όταν οι John Bardeen, Leon Cooper και Bob Schrieffer έλυσαν το πρόβλημα, το οποίο τους χάρισε το Νόμπελ Φυσικής το 1972.

Υπεραγωγοί κρίσιμης θερμοκρασίας και υψηλής θερμοκρασίας

Ο πρώτος υπεραγωγός που ανακαλύφθηκε έχει κρίσιμη θερμοκρασία μόλις 3,6 Κ, που ισοδυναμεί με -269,6 °C. Η δημιουργία και η διατήρηση τόσο χαμηλών θερμοκρασιών είναι εξαιρετικά δύσκολη, γεγονός που έχει περιορίσει τη χρήση υπεραγωγών σε μια χούφτα πολύ συγκεκριμένες εφαρμογές, όπως θα δούμε αργότερα σε αυτό το άρθρο.

Για το λόγο αυτό, υπάρχουν εκατοντάδες επιστήμονες σε όλο τον κόσμο που εργάζονται συνεχώς για την ανάπτυξη υπεραγωγών με κρίσιμη θερμοκρασία κοντά στη θερμοκρασία δωματίου. Αυτά τα υλικά ονομάζονται υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας.

Η πρώιμη πρόοδος αύξησε την κρίσιμη θερμοκρασία κατά μερικές δεκάδες μοίρες, αλλά πρόσφατα αναπτύχθηκε για πρώτη φορά ένας υπεραγωγός με κρίσιμη θερμοκρασία 14,5 °C.

τύπους υπεραγωγών

Υπάρχουν βασικά δύο είδη υπεραγωγών, ανάλογα με τη σύνθεσή τους και τον τρόπο που αλληλεπιδρούν με τα μαγνητικά πεδία.

Υπεραγωγοί τύπου Ι

Αυτά ήταν τα πρώτα που ανακαλύφθηκαν. Πρόκειται για καθαρά στοιχεία που παρουσιάζουν το φαινόμενο Meissner, δηλαδή απωθούν τα μαγνητικά πεδία όταν βρίσκονται κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία. Γενικά, έχουν μια μοναδική κρίσιμη θερμοκρασία που είναι χαρακτηριστική για κάθε υλικό και η πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία είναι απότομη.

Υπεραγωγοί τύπου II

Αυτά αποτελούνται από μείγματα διαφορετικών στοιχείων που συνδυάζονται για να σχηματίσουν κράματα ή κεραμικά υλικά που παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα. Αυτό που τους κάνει να διαφέρουν από τους υπεραγωγούς τύπου Ι είναι ότι η πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης είναι σταδιακή, επομένως έχουν δύο κρίσιμες θερμοκρασίες: μία όταν η αντίσταση αρχίζει να πέφτει και άλλη όταν φτάσει στο μηδέν.

Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό αυτού του τύπου υπεραγωγού είναι ότι εάν εφαρμοστεί ένα αρκετά ισχυρό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, το υλικό χάνει την υπεραγωγιμότητα του.

Χρήσεις υπεραγωγών

επιταχυντές σωματιδίων

Ίσως η πιο εντυπωσιακή εφαρμογή υπεραγωγών μέχρι σήμερα είναι στον τομέα της επιστημονικής έρευνας γύρω από τη σωματιδιακή φυσική. Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται στους ηλεκτρομαγνήτες που κρατούν τη δέσμη σωματιδίων περιορισμένη στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, μια από τις μεγαλύτερες μηχανές που κατασκευάστηκε από τον άνθρωπο.

θερμοπυρηνική ενέργεια

Η πυρηνική σύντηξη είναι η ονειρεμένη πηγή καθαρής ενέργειας εδώ και 100 χρόνια. Ωστόσο, για να γίνει η πυρηνική σύντηξη και να διατηρηθεί, το αέριο υδρογόνο και το ήλιο πρέπει να θερμανθούν έως και 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου καθώς περιστρέφεται μέσα σε ένα κοίλο ντόνατ που ονομάζεται Tokamak, όπου περιορίζεται από ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες κατασκευασμένους από υπεραγωγούς.

κβαντικός υπολογισμός

Μία από τις πιο υποσχόμενες εφαρμογές του κβαντικού υπολογισμού χρησιμοποιεί υπεραγώγιμα κυκλώματα, τα οποία είναι απαραίτητα για τη λειτουργία του.

υπεραγωγοί στον κβαντικό υπολογισμό
Υπεραγωγοί στον κβαντικό υπολογισμό

Ιατρική διαγνωστική απεικόνιση

Η ανάπτυξη υπεραγωγών επέτρεψε τη δημιουργία διαγνωστικών συσκευών και τεχνικών ιατρικής απεικόνισης που δεν ήταν δυνατές πριν. Μία από αυτές τις τεχνικές είναι η μαγνητοεγκεφαλογραφία SQUID, η οποία είναι ικανή να ανιχνεύει αλλαγές στα μαγνητικά πεδία του ενός δισεκατομμυριοστού του μαγνητικού πεδίου που απαιτείται για την κίνηση μιας βελόνας πυξίδας.

Νέα απεικόνιση χάρη στους υπεραγωγούς
σήραγγα μαγνητικής τομογραφίας

παραγωγή ηλεκτρισμού

Τέλος, μια άλλη πρόσφατη εφαρμογή είναι η χρήση γεννητριών ηλεκτρικής ενέργειας από υπεραγώγιμο σύρμα αντί για σύρμα χαλκού. Αυτές οι γεννήτριες είναι πολύ πιο αποδοτικές από τις συμβατικές, και πολύ μικρότερες και ελαφρύτερες.

βιβλιογραφικές αναφορές

Charles Slichter (2007). Εισαγωγή στην Ιστορία της Υπεραγωγιμότητας (για φοιτητές φυσικής και επιστήμονες). Ανακτήθηκε από https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (Οκτώβριος 2020). Ο πρώτος υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου ενθουσιάζει—και μπερδεύει—τους επιστήμονες. Nature 586, 349. Ανακτήθηκε από https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, Ε., Dasenbrock-Gammon, Ν., McBride, R.  et al.  (2020). Υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου σε ανθρακούχο θειούχο υδρίδιο. Nature  586,  373–377. Ανακτήθηκε από https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas

-Διαφήμιση-

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

Artículos relacionados