Сверхпроводимость

Проводники теряют все свое электрическое сопротивление при охлаждении до сверхнизких температур (около абсолютного нуля, около -273 ° по Цельсию). Следует понимать, что сверхпроводимость - это не просто экстраполяция тенденции большинства проводников постепенно терять сопротивление при понижении температуры; скорее, это внезапный квантовый скачок сопротивления от конечного до нулевого. Сверхпроводящий материал имеет абсолютно нулевое электрическое сопротивление, а не просто небольшое количество .

Сверхпроводимость была впервые обнаружена Х. Камерлинг-Оннесом в Университете Лейдена, Нидерланды, в 1911 году. Всего тремя годами ранее, в 1908 году, Оннес разработал метод сжижения газообразного гелия, который обеспечил среду, с помощью которой можно было переохлаждать экспериментальные объекты до минимума. на несколько градусов выше абсолютного нуля. Решив изучить изменения электрического сопротивления ртути при охлаждении до этой низкой температуры, он обнаружил, что ее сопротивление упало до ничего . чуть ниже точки кипения гелия.

Есть некоторые споры о том, как именно и почему сверхпроводящие материалы становятся сверхпроводниками. Согласно одной теории, электроны группируются и движутся парами (так называемые куперовские пары ) внутри сверхпроводника, а не путешествуют независимо, и это как-то связано с их потоком без трения. Интересно, что еще одно явление сверххолодных температур, сверхтекучесть , происходит с некоторыми жидкостями (особенно с жидким гелием), в результате чего молекулы текут без трения.

Сверхпроводимость обещает необычные возможности для электрических цепей. Если бы сопротивление проводника можно было полностью устранить, не было бы потерь мощности или неэффективности в электроэнергетических системах из-за паразитных сопротивлений. Электродвигатели можно было сделать почти полностью (100%) эффективными. Такие компоненты, как конденсаторы и катушки индуктивности, идеальные характеристики которых обычно портятся внутренним сопротивлением проводов, можно было бы сделать идеальными в практическом смысле. Уже разработаны некоторые практические сверхпроводящие проводники, двигатели и конденсаторы, но их использование в настоящее время ограничено из-за практических проблем, присущих поддержанию сверхнизких температур.

Пороговая температура для перехода сверхпроводника от нормальной проводимости к сверхпроводимости называется температурой перехода . . Температуры перехода для «классических» сверхпроводников находятся в криогенном диапазоне (около абсолютного нуля), но большой прогресс был достигнут в разработке «высокотемпературных» сверхпроводников, которые обладают сверхпроводимостью при более высоких температурах. Один тип - это керамическая смесь иттрия, бария, меди и кислорода, температура перехода которой относительно приятна -160 ° по Цельсию. В идеале сверхпроводник должен работать в диапазоне температур окружающей среды или, по крайней мере, в диапазоне недорогого холодильного оборудования.

В этой таблице показаны критические температуры для некоторых распространенных веществ. Температуры даны в кельвинах, которые имеют такой же интервал приращения, что и градусы Цельсия (увеличение или уменьшение на 1 кельвин соответствует той же величине изменения температуры, что и 1 ° Цельсия), только смещение так, чтобы 0 K было абсолютным нулем. Таким образом, нам не придется иметь дело с большим количеством отрицательных цифр.

Материал Элемент / сплав Критическая температура (K) Алюминий, элемент 1,20, кадмий, элемент 0,56, свинец, элемент 7,2, ртуть, элемент, 4,16, ниобий, элемент, 8,70, торий, элемент, 1,37, элемент, олов, элемент 3,72, титан, элемент, 0,39, уран, элемент, 1,0, элемент цинка, 0,91, элемент, ниобий / сплав олова, сульфид свинца, 18,1 элемент, сульфид ниобия / олова, сульфид алюминия 18,1

Сверхпроводящие материалы также интересным образом взаимодействуют с магнитными полями. Находясь в сверхпроводящем состоянии, сверхпроводящий материал будет стремиться исключить все магнитные поля, явление, известное как эффект Мейснера . . Однако, если напряженность магнитного поля превысит критический уровень, сверхпроводящий материал станет несверхпроводящим. Другими словами, сверхпроводящие материалы потеряют свою сверхпроводимость (независимо от того, насколько холодными вы их сделаете), если они будут подвергаться воздействию слишком сильного магнитного поля. Фактически наличие любого Магнитное поле имеет тенденцию понижать критическую температуру любого сверхпроводящего материала:чем больше магнитное поле присутствует, тем холоднее вы должны сделать материал, прежде чем он станет сверхпроводящим.

Это еще одно практическое ограничение сверхпроводников в схемотехнике, поскольку электрический ток через любой проводник создает магнитное поле. Даже несмотря на то, что сверхпроводящий провод будет иметь нулевое сопротивление для противодействия току, все равно будет предел сколько тока может практически пройти через этот провод из-за предела критического магнитного поля.

Уже существует несколько промышленных применений сверхпроводников, особенно после недавнего (1987 г.) появления керамики иттрий-барий-медь-кислород, для охлаждения которой требуется только жидкий азот, а не жидкий гелий. У поставщиков образовательных услуг можно даже заказать комплекты сверхпроводимости, которые можно использовать в школьных лабораториях (жидкий азот не входит в комплект). Обычно эти комплекты демонстрируют сверхпроводимость за счет эффекта Мейснера, подвешивая крошечный магнит в воздухе над сверхпроводящим диском, охлаждаемым ванной с жидким азотом.

Нулевое сопротивление сверхпроводящих цепей приводит к уникальным последствиям. При сверхпроводящем коротком замыкании можно бесконечно поддерживать большие токи при нулевом приложенном напряжении!

Экспериментально доказано, что кольца из сверхпроводящего материала выдерживают непрерывный ток в течение многих лет без приложенного напряжения. Насколько известно, не существует теоретического ограничения по времени, в течение которого ток без посторонней помощи может поддерживаться в сверхпроводящей цепи. Если вы думаете, что это форма вечного двигателя Вы правы! Вопреки распространенному мнению, не существует закона физики, запрещающего вечное движение; скорее, запрет выступает против любой машины или системы, производящей больше энергии, чем потребляемой (что можно было бы назвать сверхединичностью устройство). В лучшем случае вечный двигатель (например, сверхпроводящее кольцо) годится только для хранения энергия, а не генерировать это свободно!

Сверхпроводники также предлагают некоторые странные возможности, не имеющие ничего общего с законом Ома. Одна из таких возможностей - создание устройства под названием переход Джозефсона . , который действует как своего рода реле, управляя одним током другим током (конечно, без движущихся частей). Небольшой размер и быстрое время переключения переходов Джозефсона могут привести к созданию новых компьютерных схем:альтернативе использованию полупроводниковых транзисторов.

ОБЗОР:

• Сверхпроводники - это материалы с абсолютно нулевым электрическим сопротивлением.
• Все известные в настоящее время сверхпроводящие материалы необходимо охлаждать намного ниже температуры окружающей среды, чтобы они стали сверхпроводниками. Максимальная температура, при которой они это делают, называется температурой перехода . .

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица напряжения, тока и сопротивления
• Таблица удельного сопротивления проводников.