Hva er en superleder? Definisjon, typer og bruksområder

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


En superleder er et materiale som, når det avkjøles under en temperatur som kalles den kritiske temperaturen, plutselig mister all sin elektriske motstand, slik at den kan lede elektrisitet uten tap av energi . Disse materialene viser også en veldig særegen magnetisk egenskap: de er perfekt diamagnetiske stoffer, det vil si at de utelukker magnetiske feltlinjer. Dette betyr at når de plasseres i nærheten av en magnet, går magnetfeltlinjene gjennom sidene, men trenger ikke gjennom materialet.

Når en elektrisk strøm induseres i et superledende materiale, for eksempel en sirkulær ledning, fortsetter denne strømmen å flyte i det uendelige så lenge materialet forblir kaldt. Denne strømmen uten motstand kalles superstrøm og brukes blant annet til å generere veldig sterke magnetfelt.

Superledning, det vil si egenskapen til et materiale til å bli en superleder under den kritiske temperaturen, ble oppdaget i 1911 og overveldet datidens fysikere fullstendig. Det tok mer enn to tiår før dens diamagnetiske egenskaper (kalt Meissner-effekten ) ble oppdaget, og nesten et halvt århundre før fysikere kunne forklare hvorfor superledning oppstår. Det var i 1957 da John Bardeen, Leon Cooper og Bob Schrieffer løste problemet, som ga dem Nobelprisen i fysikk i 1972.

Kritiske temperatur- og høytemperatur-superledere

Den første superlederen som ble oppdaget har en kritisk temperatur på bare 3,6 K, som tilsvarer -269,6 °C. Å generere og opprettholde så lave temperaturer er ekstremt vanskelig, noe som har begrenset bruken av superledere til en håndfull svært spesifikke applikasjoner, som vi skal se senere i denne artikkelen.

Av denne grunn er det hundrevis av forskere rundt om i verden som kontinuerlig jobber med utviklingen av superledere med en kritisk temperatur nær romtemperatur. Disse materialene kalles høytemperatursuperledere.

Tidlig fremgang økte den kritiske temperaturen med noen titalls grader, men nylig er det for første gang utviklet en superleder med en kritisk temperatur på 14,5 °C.

typer superledere

Det er i utgangspunktet to typer superledere, avhengig av deres sammensetning og måten de samhandler med magnetiske felt.

Type I superledere

Disse var de første som ble oppdaget. Dette er rene grunnstoffer som viser Meissner-effekten, det vil si at de frastøter magnetiske felt når de er under den kritiske temperaturen. Generelt har de en enkelt kritisk temperatur som er karakteristisk for hvert materiale, og fallet i elektrisk motstand under den kritiske temperaturen er brå.

Type II superledere

Disse består av blandinger av forskjellige elementer som kombineres for å danne legeringer eller keramiske materialer som viser superledning. Det som skiller dem fra type I-superledere er at det elektriske motstandsfallet er gradvis, så de har to kritiske temperaturer: en når motstanden begynner å synke og en annen når den når null.

Et annet viktig trekk ved denne typen superledere er at hvis et sterkt nok eksternt magnetfelt påføres, mister materialet sin superledningsevne.

Bruk av superledere

partikkelakseleratorer

Den kanskje mest imponerende anvendelsen av superledere til dags dato er innen vitenskapelig forskning rundt partikkelfysikk. Superledere brukes i elektromagnetene som holder partikkelstrålen innestengt i Large Hadron Collider, en av de største maskinene bygget av mennesker.

termonukleær kraft

Kjernefysisk fusjon har vært drømmekilden til ren energi i 100 år. Men for å få kjernefysisk fusjon til å skje og opprettholde den, må gassformig hydrogen og helium varmes opp til 100 millioner grader Celsius når det snurrer inne i en hul smultring kalt en Tokamak, hvor den er begrenset av kraftige elektromagneter laget av superledere. .

kvanteberegning

En av de mest lovende implementeringene av kvanteberegning bruker superledende kretser, som er avgjørende for driften.

superledere i kvanteberegning
Superledere i kvanteberegning

Medisinsk diagnostisk bildediagnostikk

Utviklingen av superledere har gjort det mulig å lage medisinsk bildediagnostisk utstyr og teknikker som ikke var mulig før. En av disse teknikkene er SQUID magnetoencefalografi, som er i stand til å oppdage endringer i magnetiske felt på en milliarddel av magnetfeltet som trengs for å bevege en kompassnål.

Ny bildebehandling takket være superledere
MR-tunnel

Elektrisitetsproduksjon

Til slutt, en annen nylig applikasjon er bruken av elektrisitetsgeneratorer laget av superledende ledning i stedet for kobbertråd. Disse generatorene er mye mer effektive enn konvensjonelle, og mye mindre og lettere.

Referanser

Charles Slichter (2007). Introduksjon til historien om superledning (for fysikkstudenter og forskere). Hentet fra https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (oktober 2020). Den første superlederen i romtemperatur begeistrer – og forvirrer – forskere. Nature 586, 349. Hentet fra https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

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

-Annonse-

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

Artículos relacionados

Flammefargetesten