Ce este un supraconductor? Definiție, tipuri și utilizări

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


Un supraconductor este un material care, atunci când este răcit sub o temperatură numită temperatură critică, își pierde brusc toată rezistența electrică, permițându-i să conducă electricitatea fără pierderi de energie . Aceste materiale prezintă, de asemenea, o proprietate magnetică foarte particulară: sunt substanțe perfect diamagnetice, adică exclud liniile de câmp magnetic. Aceasta înseamnă că atunci când sunt plasate lângă un magnet, liniile câmpului magnetic trec prin părțile laterale, dar nu pătrund în material.

Când un curent electric este indus într-un material supraconductor, cum ar fi un fir circular, acest curent continuă să curgă la nesfârșit atâta timp cât materialul rămâne rece. Acest curent fără rezistență se numește supracurent și este folosit, printre altele, pentru a genera câmpuri magnetice foarte puternice.

Supraconductivitatea, adică proprietatea unui material de a deveni supraconductor sub temperatura critică, a fost descoperită în 1911 și i-a uimit complet pe fizicienii vremii. Au durat mai mult de două decenii până când proprietățile sale diamagnetice (numite efect Meissner ) au fost descoperite și aproape o jumătate de secol până când fizicienii ar putea explica de ce apare supraconductivitatea. În 1957, John Bardeen, Leon Cooper și Bob Schrieffer au rezolvat problema, ceea ce le-a adus Premiul Nobel pentru Fizică în 1972.

Superconductori de temperatură critică și temperatură înaltă

Primul supraconductor care a fost descoperit are o temperatură critică de doar 3,6 K, ceea ce este echivalent cu -269,6 °C. Generarea și menținerea unor astfel de temperaturi scăzute este extrem de dificilă, ceea ce a limitat utilizarea supraconductoarelor la o mână de aplicații foarte specifice, așa cum vom vedea mai târziu în acest articol.

Din acest motiv, există sute de oameni de știință din întreaga lume care lucrează constant la dezvoltarea supraconductoarelor cu o temperatură critică apropiată de temperatura camerei. Aceste materiale sunt numite supraconductori la temperatură înaltă.

Progresele timpurii au crescut temperatura critică cu câteva zeci de grade, dar recent a fost dezvoltat pentru prima dată un supraconductor cu o temperatură critică de 14,5 °C.

tipuri de supraconductori

Practic, există două tipuri de supraconductori, în funcție de compoziția lor și de modul în care interacționează cu câmpurile magnetice.

Supraconductori de tip I

Aceștia au fost primii descoperiți. Acestea sunt elemente pure care prezintă efectul Meissner, adică resping câmpurile magnetice atunci când sunt sub temperatura critică. În general, au o singură temperatură critică care este caracteristică fiecărui material, iar scăderea rezistenței electrice sub temperatura critică este bruscă.

Supraconductori de tip II

Acestea constau din amestecuri de diferite elemente care se combină pentru a forma aliaje sau materiale ceramice care prezintă supraconductivitate. Ceea ce îi deosebește de supraconductorii de tip I este că scăderea rezistenței electrice este treptată, deci au două temperaturi critice: una când rezistența începe să scadă și alta când ajunge la zero.

O altă caracteristică importantă a acestui tip de supraconductor este că dacă se aplică un câmp magnetic extern suficient de puternic, materialul își pierde supraconductibilitatea.

Utilizări ale supraconductorilor

acceleratori de particule

Poate cea mai impresionantă aplicație a supraconductorilor până în prezent este în domeniul cercetării științifice în jurul fizicii particulelor. Supraconductorii sunt folosiți în electromagneții care mențin fasciculul de particule limitat în Large Hadron Collider, una dintre cele mai mari mașini construite de om.

puterea termonucleara

Fuziunea nucleară a fost sursa de vis de energie curată timp de 100 de ani. Cu toate acestea, pentru ca fuziunea nucleară să aibă loc și să o susțină, hidrogenul gazos și heliul trebuie să fie încălzite până la 100 de milioane de grade Celsius în timp ce se învârt în interiorul unei gogoși goale numită Tokamak, unde este limitată de electromagneți puternici din supraconductori.

calculul cuantic

Una dintre cele mai promițătoare implementări ale calculului cuantic folosește circuite supraconductoare, care sunt esențiale pentru funcționarea sa.

supraconductori în calculul cuantic
Supraconductori în calculul cuantic

Imagistica de diagnostic medical

Dezvoltarea supraconductoarelor a permis crearea de dispozitive și tehnici de diagnostic imagistic medical care nu erau posibile înainte. Una dintre aceste tehnici este magnetoencefalografia SQUID, care este capabilă să detecteze modificări ale câmpurilor magnetice de o miliardime din câmpul magnetic necesar pentru a deplasa un ac al busolei.

Imagini noi datorită supraconductorilor
tunel RMN

generare de energie electrică

În cele din urmă, o altă aplicație recentă este utilizarea generatoarelor de electricitate realizate din sârmă supraconductoare în locul sârmei de cupru. Aceste generatoare sunt mult mai eficiente decât cele convenționale și mult mai mici și mai ușoare.

Referințe

Charles Slichter (2007). Introducere în istoria supraconductivității (pentru studenți și oameni de știință la fizică). Preluat de la https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (octombrie 2020). Primul supraconductor la temperatura camerei îi excită și derută pe oamenii de știință. Nature 586, 349. Preluat de la https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  şi colab.  (2020). Supraconductivitate la temperatura camerei într-o hidrură de sulf carbonoasă. Natura  586,  373–377. Preluat de la https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas

-Publicitate-

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

Artículos relacionados