Mi az a szupravezető? Definíció, típusok és felhasználások

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

A szupravezető olyan anyag, amely a kritikus hőmérsékletnek nevezett hőmérséklet alá hűtve hirtelen elveszti elektromos ellenállását, így energiaveszteség nélkül vezetheti az elektromosságot . Ezek az anyagok egy nagyon sajátos mágneses tulajdonsággal is rendelkeznek: tökéletesen diamágneses anyagok, vagyis kizárják a mágneses erővonalakat. Ez azt jelenti, hogy mágnes közelébe helyezve a mágneses erővonalak áthaladnak az oldalakon, de nem hatolnak át az anyagon.

Amikor elektromos áramot indukálnak egy szupravezető anyagban, például egy kör alakú huzalban, ez az áram korlátlan ideig folyik, amíg az anyag hideg marad. Ezt az ellenállás nélküli áramot szuperáramnak nevezik, és többek között nagyon erős mágneses mezők létrehozására használják.

A szupravezetést, vagyis az anyag azon tulajdonságát, hogy a kritikus hőmérséklet alatt szupravezetővé válik, 1911-ben fedezték fel, és teljesen megdöbbentette a korabeli fizikusokat. Több mint két évtizedbe telt, mire diamágneses tulajdonságait (úgynevezett Meissner-effektusnak nevezik ) felfedezték, és csaknem fél évszázadba telt, mire a fizikusok meg tudták magyarázni, miért fordul elő a szupravezetés. 1957-ben történt, amikor John Bardeen, Leon Cooper és Bob Schrieffer megoldotta a problémát, amivel 1972-ben megkapták a fizikai Nobel-díjat.

Kritikus hőmérsékletű és magas hőmérsékletű szupravezetők

Az első felfedezett szupravezető kritikus hőmérséklete mindössze 3,6 K, ami -269,6 °C-nak felel meg. Az ilyen alacsony hőmérsékletek előállítása és fenntartása rendkívül nehéz, ami a szupravezetők használatát néhány nagyon specifikus alkalmazásra korlátozta, amint azt ebben a cikkben később látni fogjuk.

Emiatt világszerte több száz tudós dolgozik folyamatosan szobahőmérséklethez közeli kritikus hőmérsékletű szupravezetők kifejlesztésén. Ezeket az anyagokat magas hőmérsékletű szupravezetőknek nevezzük.

A korai haladás néhány tíz fokkal megemelte a kritikus hőmérsékletet, de a közelmúltban először fejlesztettek ki 14,5 °C-os kritikus hőmérsékletű szupravezetőt.

szupravezetők típusai

Alapvetően kétféle szupravezető létezik, összetételüktől és a mágneses mezőkkel való kölcsönhatástól függően.

I. típusú szupravezetők

Ezeket fedezték fel először. Ezek tiszta elemek, amelyek a Meissner-effektust mutatják, vagyis taszítják a mágneses mezőket, ha azok a kritikus hőmérséklet alatt vannak. Általában egyetlen kritikus hőmérséklettel rendelkeznek, amely minden anyagra jellemző, és az elektromos ellenállás kritikus hőmérséklet alá csökkenése hirtelen történik.

II típusú szupravezetők

Ezek különböző elemek keverékeiből állnak, amelyek ötvözeteket vagy kerámia anyagokat alkotnak, amelyek szupravezető képességet mutatnak. Az különbözteti meg őket az I. típusú szupravezetőktől, hogy az elektromos ellenállás csökkenése fokozatos, így két kritikus hőmérsékletük van: az egyik, amikor az ellenállás csökkenni kezd, a másik pedig, amikor eléri a nullát.

Az ilyen típusú szupravezetők másik fontos jellemzője, hogy elég erős külső mágneses tér alkalmazása esetén az anyag elveszíti szupravezető képességét.

A szupravezetők felhasználása

részecskegyorsítók

A szupravezetők talán eddigi leglenyűgözőbb alkalmazása a részecskefizika körüli tudományos kutatás területén. Szupravezetőket használnak az elektromágnesekben, amelyek korlátozzák a részecskesugarat a Large Hadron Colliderben, az egyik legnagyobb ember által épített gépben.

termonukleáris energia

A nukleáris fúzió 100 éve a tiszta energia álomforrása. A magfúzió létrejöttéhez és fenntartásához azonban a gáznemű hidrogént és héliumot 100 millió Celsius-fokra kell felmelegíteni, miközben forog a Tokamak nevű üreges fánk belsejében, ahol szupravezetőkből készült erős elektromágnesek korlátozzák.

kvantumszámítás

A kvantumszámítás egyik legígéretesebb megvalósítása szupravezető áramköröket használ, amelyek elengedhetetlenek a működéséhez.

szupravezetők a kvantumszámításban
Szupravezetők a kvantumszámításban

Orvosi diagnosztikai képalkotás

A szupravezetők fejlesztése olyan orvosi képalkotó diagnosztikai eszközök és technikák létrehozását tette lehetővé, amelyekre korábban nem volt lehetőség. Az egyik ilyen technika a SQUID magnetoencephalográfia, amely képes az iránytűtű mozgatásához szükséges mágneses tér egymilliárd részének változásainak kimutatására.

Új képalkotás a szupravezetőknek köszönhetően
MRI alagút

elektromos geneártor

Végül egy másik újabb alkalmazás a rézhuzal helyett szupravezető huzalból készült villamosenergia-generátorok alkalmazása. Ezek a generátorok sokkal hatékonyabbak, mint a hagyományosak, és sokkal kisebbek és könnyebbek.

Hivatkozások

Charles Slichter (2007). Bevezetés a szupravezetés történetébe (fizikus hallgatók és tudósok számára). Letöltve: https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (2020. október). Az első szobahőmérsékletű szupravezető izgatja – és zavarja – a tudósokat. Nature 586, 349. Letöltve: https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  et al.  (2020). Szobahőmérsékletű szupravezetés széntartalmú kén-hidridben. Természet  586,  373–377. Letöltve: 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