Superledningsevne, fænomen, opdagelse, teori og anvendelser
Superledningsevne, fænomen, opdagelse, teori, Ansøgning, og temperatur af superledningsevne.
Superledningsevne er en egenskab, som visse materialer har absolut nul elektrisk modstand, når de når temperaturen under en bestemt værdi (kaldes kritisk temperatur).
Beskrivelse. Fænomenet superledningsevne
Opdagelsen af superledningsevne
Natur, forklaring og teori om superledningsevne
Klassifikation, typer og anvendelser af superledere
Temperaturen af superledningsevne af metaller, legeringer og andre materialer
Anvendelse af superledningsevne
Beskrivelse. Fænomenet superledningsevne:
Superledningsevne er en egenskab, visse materialer har absolut nul elektrisk modstand, når de når temperaturen under en bestemt værdi (kaldes kritisk temperatur).
Superledningsevne har metaller og deres legeringer, halvledere, og keramiske materialer og andre stoffer. Der er endda superledende legeringer og materialer med en af elementer eller alle elementerneindgår i dets sammensætning, kan ikke være superledere. For eksempel, sulfidet, kviksølvets herlighed med guld og tin.
Superledende tilstand i materialet forekommer ikke gradvist, men i spring - når temperaturen er under den kritiske. Over denne temperatur er metallet, legering eller andet materiale er i normal tilstand, og under det - i superledende. For nogle stoffer bliver overgangen til den superledende tilstand mulig under visse eksterne forhold, for eksempel, når man når en bestemt trykværdi.
Superledningsevne som et fænomen ledsages af flere effekter. Meget vigtigt er to af dem: forsvinden af elektrisk modstand og udvisning af magnetisk flux (Mark) fra dets anvendelsesområde. Derfor, det er altafgørende for ikke kun den kritiske strøm, og kritisk magnetfelt er en bestemt værdi af magnetfeltet, ved hvilket superlederen mister sin superledningsevne.
Fænomenet superledningsevne kan demonstreres i praksis. Hvis du tager en dirigent, loop det, gør en lukket elektrisk kredsløb, køle det til en temperatur under den kritiske og bringe ham en elektrisk strøm, og fjern derefter kilden til elektrisk strøm, den elektriske strøm i en sådan leder vil eksistere i en ubegrænset periode.
Tilgængelig i øjeblikket superledere med egenskab af superledningsevne ved stuetemperatur.
Opdagelsen af superledningsevne:
Fænomenet superledningsevne blev først opdaget i 1911 af den hollandske fysiker Heike kamerlingh Onnes ved at undersøge afhængigheden af elektrisk modstand af metaller på temperatur.
Ultra lave temperaturer blev han interesseret i tilbage i 1893, da han oprettede det kryogene laboratorium.
I 1908 det lykkedes ham at få flydende helium.
Køler med det, metallisk kviksølv, han var overrasket over at finde det ved en temperatur tæt på absolut nul (4,15 K), elektrisk modstand (R) kviksølv pludselig falder til nul.
I 1912 blev opdaget, at de to metaller var i superledende tilstand ved lave temperaturer, bly og tin.
Blev efterfølgende åbnet og andre superledere.
Natur, forklaring og teori om superledningsevne:
Det skal bemærkes, at en fuldt tilfredsstillende teori om superledningsevne manglede i øjeblikket.
I 1957, George. Bardin, L. Cooper og J. Sniffer foreslog den såkaldte BCS teori (Bardeen - Cooper - shriffer).
Elektrisk strøm er bevægelsen af elektroner. I en konventionel leder, elektroner bevæger sig enkeltvis og uafhængigt overvinder forskellige forhindringer på dens vej. Under bevægelse, de kolliderer med hinanden og med krystalgitteret og mister sin energi. Dermed, i lederen på grund af forskellige forhindringer opstår det elektriske modstand.
Elektronerne under normale forhold har centrifugering og tager værdien af -1/2 eller +1/2. Men under visse betingelser (når temperaturen er under den kritiske), de danner et par. Elektroner med modsatte værdier for spin tiltrækkes af hinanden. Disse uddannede par kaldes også Cooper-par. Dette par har nul spin og to gange elektronladningen. Da det samlede spin for dette par er lig med nul, så har den egenskaberne af et boson. Bosonerne danner en kondensat Bose-Einstein, sluttede sig til alle de frie bosoner, og er i samme kvantetilstand. De bliver en enkelt enhed, i stand til at bevæge sig uden at kollidere med gitteret og de resterende elektroner, det er, uden energitab, uden elektrisk modstand. Så der er effekten af superledningsevne.
Imidlertid, denne teori kan ikke forklare superledningsevne ved høje temperaturer (højtemperatur superledningsevne).
Klassifikation, typer superledere:
Ved den kritiske temperatur er superledere opdelt i lav temperatur, hvis den kritiske temperatur er under 77 K (-196 ° C) og høj temperatur.
Separationstemperatur er nitrogenets kogepunkt, som er 77.4 K (-195,75 ° C).
Denne opdeling har en praktisk værdi. I det første tilfælde, afkøling gøres flydende eller gasformigt helium, og i det andet tilfælde - den billigere flydende eller gasformige kvælstof.
Svaret fra superledere til et magnetfelt, de er superledere type I og II superledere.
Superledere af den første art, der kun opnår en bestemt værdi af magnetfeltet (det såkaldte kritiske magnetfelt Hc) mister deres superledningsevne. Til denne værdi af magnetfeltet omkring superlederen, og det trænger over og lederen mister sin superledningsevne.
Har type II superledere har to kritiske magnetiske feltværdier Hc1 og Hc2. Når magnetfeltet for den første kritiske værdi Hc1 er der en delvis penetration af magnetfeltet i superlederens krop, men superledningsevne blev bibeholdt. Over det andet kritiske felt Hc2, superledningsevne ødelægges fuldstændigt. Magnetfelterne fra den første til den anden kritiske værdi i superlederen er der en hvirvelstruktur af magnetisk Mark.
Superledernes materiale er opdelt i rene elementer, legeringer, keramik, superledere baseret på jern, organiske superledere, etc.
Temperaturen af superledningsevne af metaller, legeringer og andre materialer:
| Materialer | Kritisk temperatur, K | Kritiske felter (på 0 K), GS (e *) | |
| Superledere af 1. slags | HC | ||
| Rhodium | 0,000325 | 0,049 | |
| Wolfram | 0,012 | 1* | |
| Hafnium | 0,37 | - ** | |
| Titan | 0,39 | 60 | |
| Ruthenium | 0,47 | 46* | |
| Cadmium | 0,52 | 28 | |
| Cubic Zirconia | 0,55 | 65* | |
| Osmium | 0,71 | 46,6* | |
| Uran | 0,8 | - ** | |
| Zink | 0,85 | 53 | |
| Rhodium | 0,9 | - ** | |
| Gallium | Af 1.08 | 59 | |
| Aluminium | 1,2 | 100* | |
| Rhenium | 1,7 | 188* | |
| Dobbeltlags grafen | ~1,7 | 500 | |
| Alloy AI-Bi | 1,84 | - ** | |
| Thallium | 2,37 | 180 | |
| Indium | 3,41 | 280 | |
| Tro på | 3,72 | 305 | |
| Merkur | 4,15 | 411 | |
| Tantal | 4,5 | 830* | |
| Vanadium | 4,89 | 1340* | |
| Neodym | 7,19 | 803 | |
| Technetium | 11,2 | - ** | |
| H2S (svovlbrinte) | 203 ved et tryk på 150 GPA | 720 000 | |
| Superledere af 2. slags | HC1 | HC2 | |
| Niob | 9,25 | 1735 | 4040 |
| Nb3Sn | 18,1 | - | 220 000 |
| Nb3Ge | 23,2 | - | 400 000 |
| Pb1Mo5,1S6 | 14.4 V | - | 600 000 |
| YBa2Cu3O7 | 93 | 1000*** | 1 000 000*** |
| HgBa2Ca2Cu3O8 + x | 135 | - ** | - ** |
Bemærk til tabel:
* for materialer, der er mærket * kritisk værdi af det felt, der er specificeret i OE (Oersted), til resten af GS (Gauss).
** - ingen data.
*** Ekstrapoleret til absolut nul.
Egenskaber for superledere:
1. Nul elektrisk modstand.
Strengt taget, modstanden fra superledere er kun nul for en konstant elektrisk strøm. Modstand i superledere, mens de passerer gennem dem, er en vekselstrøm nul og øges med stigende temperatur.
2. Den kritiske temperatur på superledere.
3. Kritiske magnetfelt superledere.
Denne værdi af magnetfeltet, over hvilket superlederen mister sin superledningsevne og bliver en normal tilstandskarakteristik for den normale leder.
Værdien af det kritiske magnetfelt varierer afhængigt af materialet i superlederen og kan variere fra flere snesevis af Gauss til flere hundrede tusinde Gauss. I værditabellen angiver materialets superledningsevne det kritiske magnetfelt ved en temperatur på absolut nul (0 K).
Kritisk magnetisk kritisk temperatur er indbyrdes forbundne. Når temperaturen på superlederens kritiske magnetfelt falder. Overgangstemperaturen fra superledende tilstand til normal kritisk magnetfelt er nul, og ved absolut nul er det muligt.
Afhængigheden af det kritiske felt af temperatur med god præcision er beskrevet af udtrykket:
NS(T) = FNL · (1 - T2 / Tc2)
hvor NS(T), det kritiske magnetfelt ved en given temperatur, NSO - kritisk felt ved temperatur nul, T er den specificerede temperatur, TC - kritisk temperatur.
Til type II superledere, vi specificerer to værdier for magnetfeltet. Det er også let at se, hvilket kæmpe felt der er i stand til at modstå type II superledere uden at ødelægge superledningsevne.
4. Den kritiske strøm i superledere.
Denne værdi er den maksimale jævnstrøm, der kan modstå superlederen uden tab af den superledende tilstand. Når denne værdi overskrides, superlederen mister sin superledningsevne.
Som det kritiske magnetfelt, kritisk strøm er omvendt proportional med temperaturafhængig, faldende med stigningen.
5. Udvisningen af magnetfelt af en superleder fra dens volumen.
Dette fænomen blev kaldt Meissner-effekten efter navnet på opdageren.
Meissner-effekten betyder fuldstændig udvisning af magnetisk felter fra lederens volumen i sin overgang til den superledende tilstand. Inde i superlederen er magnetiseringen lig med nul. For første gang blev fænomenet observeret i 1933, de tyske fysikere W. Meissner og R. Oxfield.
Imidlertid, ikke alle superledere der er en komplet Meissner-effekt. Stoffer, der udviser en komplet Meissner-effekt, kaldes superledere af den første art og brøkdel - superledere af den anden art. For superledere trænger magnetfeltet i værdiområdet Hc1 - Hc2 ind og virker i form af Abrikosov-hvirvler. Imidlertid, det skal bemærkes, at i lave magnetfelter (lavere værdier af HC og HC1 ) fuldfør Meissner-effekten har alle typer superledere.
Fraværet af et magnetfelt i superlederens volumen betyder det elektrisk strøm flyder kun i superlederens overfladelag.
6. Indtrængningsdybden.
Dette er den afstand, hvormed den magnetiske flux trænger ind i superlederen. Typisk, denne værdi kaldes andonovski penetration dybde (efter London-brødrene).
Gennemtrængningsdybden er en funktion af temperaturen, er direkte proportional med hende og forskellig i forskellige materialer.
Baseret på handlingerne fra Meissner-effekten, magnetfeltet udvises fra superlederen ved strømme, der cirkulerer i dets overfladelag, hvis tykkelse er omtrent lig med penetrationsdybden. Disse strømme skaber et magnetfelt, hvilket kompensiruet felt anvendte udefra, ikke lade ham komme ind.
Når den magnetiske felt når den kritiske værdi, trænger den fuldstændigt ind i dybden af indtrængning og fanger hele superlederen.
7. Sammenhængslængde.
Dette er den afstand, hvor elektroner interagerer med hinanden, skaber en superledende tilstand. Elektronerne inden for kohærenslængden bevæger sig sammen - sammenhængende (som om “op”).
8. Specifik varme.
Denne værdi viser den mængde varme, der kræves for at hæve temperaturen på 1 gram af et stof 1 K.
Den specifikke varme fra en superleder brat (brat) stiger nær overgangstemperaturen til den superledende tilstand, og hurtigt (brat) falder med faldende temperatur. Med andre ord, i overgangsregionen for at hæve temperaturen på et stof i superledende tilstand kræver mere varme end normalt, og ved meget lave temperaturer - tværtimod.
Anvendelse af superledningsevne:
- for at opnå stærke magnetfelter. Siden superlederens passage til stærke strømme, skaber et stærkt magnetfelt, ingen termiske tab. Til opnåelse af stærke magnetfelter anvendes i type II superledere, fordi det kritiske magnetfelt HC2 for dem er meget stort,
i elektriske kabler og kraftledninger (elledninger). Så, et tyndt elektrisk kabel fra superlederen, der er i stand til at overføre elektrisk strøm til transmission, er normalt en leder skal have en betydelig størrelse (diameter),
- i højstrømsgeneratorer og motorer,
- i måleinstrumenter,
i Maglie (det magnetiske levitationstog).
© Foto ,
