Co to jest nadprzewodnik? Definicja, rodzaje i zastosowania

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


Nadprzewodnik to materiał, który po schłodzeniu poniżej temperatury zwanej temperaturą krytyczną nagle traci całą swoją oporność elektryczną, umożliwiając przewodzenie prądu bez utraty energii . Materiały te wykazują również bardzo osobliwą właściwość magnetyczną: są substancjami doskonale diamagnetycznymi, to znaczy wykluczającymi linie pola magnetycznego. Oznacza to, że po umieszczeniu w pobliżu magnesu linie pola magnetycznego przechodzą przez boki, ale nie penetrują materiału.

Kiedy prąd elektryczny jest indukowany w materiale nadprzewodzącym, takim jak okrągły drut, prąd ten płynie w nieskończoność, dopóki materiał pozostaje zimny. Ten prąd bez rezystancji nazywany jest nadprądem i służy między innymi do generowania bardzo silnych pól magnetycznych.

Nadprzewodnictwo, czyli zdolność materiału do stania się nadprzewodnikiem poniżej temperatury krytycznej, zostało odkryte w 1911 roku i całkowicie zszokowało ówczesnych fizyków. Minęło ponad dwie dekady, zanim odkryto jego właściwości diamagnetyczne (zwane efektem Meissnera ) i prawie pół wieku, zanim fizycy mogli wyjaśnić, dlaczego występuje nadprzewodnictwo. W 1957 roku John Bardeen, Leon Cooper i Bob Schrieffer rozwiązali ten problem, za co w 1972 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Temperatura krytyczna i nadprzewodniki wysokotemperaturowe

Pierwszy odkryty nadprzewodnik ma temperaturę krytyczną zaledwie 3,6 K, co odpowiada temperaturze -269,6°C. Wytwarzanie i utrzymywanie tak niskich temperatur jest niezwykle trudne, co ogranicza użycie nadprzewodników do kilku bardzo specyficznych zastosowań, jak zobaczymy w dalszej części tego artykułu.

Z tego powodu na całym świecie są setki naukowców, którzy nieustannie pracują nad rozwojem nadprzewodników o temperaturze krytycznej zbliżonej do temperatury pokojowej. Materiały te nazywane są nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi.

Wczesne postępy podniosły temperaturę krytyczną o kilkadziesiąt stopni, ale ostatnio po raz pierwszy opracowano nadprzewodnik o temperaturze krytycznej 14,5 °C.

rodzaje nadprzewodników

Zasadniczo istnieją dwa rodzaje nadprzewodników, w zależności od ich składu i sposobu, w jaki oddziałują z polami magnetycznymi.

Nadprzewodniki typu I

Te zostały odkryte jako pierwsze. Są to czyste pierwiastki, które wykazują efekt Meissnera, czyli odpychają pola magnetyczne, gdy znajdują się poniżej temperatury krytycznej. Ogólnie rzecz biorąc, mają one jedną temperaturę krytyczną, charakterystyczną dla każdego materiału, a spadek oporu elektrycznego poniżej temperatury krytycznej jest gwałtowny.

Nadprzewodniki typu II

Składają się one z mieszanin różnych pierwiastków, które łączą się, tworząc stopy lub materiały ceramiczne wykazujące nadprzewodnictwo. Tym, co odróżnia je od nadprzewodników typu I, jest to, że spadek rezystancji elektrycznej jest stopniowy, więc mają dwie krytyczne temperatury: jedną, gdy rezystancja zaczyna spadać, a drugą, gdy osiąga zero.

Inną ważną cechą tego typu nadprzewodników jest to, że jeśli przyłożone zostanie wystarczająco silne zewnętrzne pole magnetyczne, materiał traci nadprzewodnictwo.

Zastosowania nadprzewodników

akceleratory cząstek

Być może najbardziej imponujące jak dotąd zastosowanie nadprzewodników dotyczy dziedziny badań naukowych związanych z fizyką cząstek elementarnych. Nadprzewodniki są używane w elektromagnesach, które utrzymują wiązkę cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów, jednej z największych maszyn zbudowanych przez człowieka.

moc termojądrowa

Fuzja jądrowa jest wymarzonym źródłem czystej energii od 100 lat. Jednak, aby doszło do syntezy jądrowej i jej podtrzymania, gazowy wodór i hel muszą zostać podgrzane do 100 milionów stopni Celsjusza, gdy obracają się wewnątrz wydrążonego pączka zwanego Tokamakiem, gdzie są uwięzione przez potężne elektromagnesy wykonane z nadprzewodników.

obliczenia kwantowe

Jedna z najbardziej obiecujących implementacji komputerów kwantowych wykorzystuje obwody nadprzewodzące, które są niezbędne do jej działania.

nadprzewodników w komputerach kwantowych
Nadprzewodniki w komputerach kwantowych

Medyczne obrazowanie diagnostyczne

Rozwój nadprzewodników umożliwił stworzenie urządzeń i technik diagnostyki obrazowej, które wcześniej nie były możliwe. Jedną z takich technik jest magnetoencefalografia SQUID, która jest w stanie wykryć zmiany w polach magnetycznych o wartości jednej miliardowej pola magnetycznego potrzebnego do poruszenia igłą kompasu.

Nowe obrazowanie dzięki nadprzewodnikom
Tunel MRI

generowanie elektryczności

Wreszcie, innym niedawnym zastosowaniem jest wykorzystanie generatorów energii elektrycznej wykonanych z drutu nadprzewodzącego zamiast drutu miedzianego. Generatory te są znacznie bardziej wydajne niż konwencjonalne, a także znacznie mniejsze i lżejsze.

Bibliografia

Charlesa Slichtera (2007). Wprowadzenie do historii nadprzewodnictwa (dla studentów fizyki i naukowców). Pobrane z https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (październik 2020). Pierwszy nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej ekscytuje — i wprawia w zakłopotanie — naukowców. Nature 586, 349. Źródło: https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  i in.  (2020). Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej w węglowodorku siarki. Natura  586,  373–377. Pobrane z https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas

-Reklama-

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

Artículos relacionados