Vad är en supraledare? Definition, typer och användningsområden

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


En supraledare är ett material som, när det kyls under en temperatur som kallas den kritiska temperaturen, plötsligt förlorar hela sitt elektriska motstånd, vilket gör att det kan leda elektricitet utan att förlora energi . Dessa material uppvisar också en mycket speciell magnetisk egenskap: de är perfekt diamagnetiska ämnen, det vill säga de utesluter magnetiska fältlinjer. Detta innebär att när de placeras nära en magnet passerar magnetfältslinjerna genom sidorna, men penetrerar inte materialet.

När en elektrisk ström induceras i ett supraledande material, såsom en cirkulär tråd, fortsätter denna ström att flyta på obestämd tid så länge som materialet förblir kallt. Denna ström utan motstånd kallas superström och används bland annat för att generera mycket starka magnetfält.

Supraledning, det vill säga egenskapen hos ett material att bli en supraledare under den kritiska temperaturen, upptäcktes 1911 och chockade dåtidens fysiker fullständigt. Det tog mer än två decennier innan dess diamagnetiska egenskaper (kallad Meissner-effekten ) upptäcktes, och nästan ett halvt sekel innan fysiker kunde förklara varför supraledning uppstår. Det var 1957 när John Bardeen, Leon Cooper och Bob Schrieffer löste problemet, vilket gav dem Nobelpriset i fysik 1972.

Kritiska temperatur- och högtemperatursupraledare

Den första supraledaren som upptäcktes har en kritisk temperatur på bara 3,6 K, vilket motsvarar -269,6 °C. Att generera och upprätthålla så låga temperaturer är extremt svårt, vilket har begränsat användningen av supraledare till en handfull mycket specifika tillämpningar, som vi kommer att se längre fram i den här artikeln.

Av denna anledning finns det hundratals forskare runt om i världen som ständigt arbetar med utvecklingen av supraledare med en kritisk temperatur nära rumstemperatur. Dessa material kallas högtemperatursupraledare.

Tidiga framsteg höjde den kritiska temperaturen med några tiotals grader, men nyligen har en supraledare med en kritisk temperatur på 14,5 °C utvecklats för första gången.

typer av supraledare

Det finns i princip två typer av supraledare, beroende på deras sammansättning och hur de interagerar med magnetfält.

Typ I supraledare

Dessa var de första som upptäcktes. Dessa är rena element som uppvisar Meissner-effekten, det vill säga de stöter bort magnetfält när de är under den kritiska temperaturen. I allmänhet har de en enda kritisk temperatur som är karakteristisk för varje material, och fallet i elektriskt motstånd under den kritiska temperaturen är abrupt.

Typ II supraledare

Dessa består av blandningar av olika element som kombineras för att bilda legeringar eller keramiska material som uppvisar supraledning. Det som skiljer dem från supraledare av typ I är att det elektriska motståndsfallet är gradvis, så de har två kritiska temperaturer: en när resistansen börjar sjunka och en annan när den når noll.

En annan viktig egenskap hos denna typ av supraledare är att om ett tillräckligt starkt externt magnetfält appliceras, förlorar materialet sin supraledning.

Användning av supraledare

partikelacceleratorer

Den kanske mest imponerande tillämpningen av supraledare hittills är inom området vetenskaplig forskning kring partikelfysik. Supraledare används i elektromagneterna som håller partikelstrålen begränsad i Large Hadron Collider, en av de största maskinerna som byggts av människan.

termonukleär kraft

Kärnfusion har varit drömkällan för ren energi i 100 år. Men för att få kärnfusion att hända och för att upprätthålla den, måste gasformigt väte och helium värmas upp till 100 miljoner grader Celsius när det snurrar inuti en ihålig munk som kallas en Tokamak, där den är begränsad av kraftfulla elektromagneter gjorda av supraledare. .

kvantberäkning

En av de mest lovande implementeringarna av kvantberäkningar använder supraledande kretsar, som är avgörande för dess funktion.

supraledare i kvantberäkningar
Supraledare i kvantberäkning

Medicinsk diagnostisk bildbehandling

Utvecklingen av supraledare har möjliggjort skapandet av medicinsk bilddiagnostik och tekniker som inte var möjliga tidigare. En av dessa tekniker är SQUID magnetoencefalografi, som kan upptäcka förändringar i magnetfält på en miljarddel av det magnetiska fält som behövs för att flytta en kompassnål.

Ny bildbehandling tack vare supraledare
MRI-tunnel

elproduktion

Slutligen är en annan aktuell tillämpning användningen av elgeneratorer gjorda av supraledande tråd istället för koppartråd. Dessa generatorer är mycket effektivare än konventionella, och mycket mindre och lättare.

Referenser

Charles Slichter (2007). Introduktion till superkonduktivitetens historia (för fysikstudenter och vetenskapsmän). Hämtad från https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (oktober 2020). Den första supraledaren i rumstemperatur retar – och förbryllar – forskare. Nature 586, 349. Hämtad från https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  et al.  (2020). Rumstemperatur supraledning i en kolhaltig svavelhydrid. Nature  586,  373–377. Hämtad från https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas

-Annons-

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

Artículos relacionados

Flamfärgtestet