Superconductividad, fenómeno, descubrimiento, teoría y aplicaciones
Superconductividad, fenómeno, descubrimiento, teoría, solicitud, y temperatura de superconductividad.
La superconductividad es una propiedad que ciertos materiales poseen una resistencia eléctrica absolutamente nula cuando alcanzan la temperatura por debajo de cierto valor. (llamada temperatura crítica).
Descripción. El fenómeno de la superconductividad
El descubrimiento de la superconductividad
Naturaleza, explicación y teoría de la superconductividad
Clasificación, tipos y usos de superconductores
La temperatura de superconductividad de los metales., aleaciones y otros materiales
Propiedades de los superconductores
Aplicación de superconductividad
Descripción. El fenómeno de la superconductividad:
Superconductividad es una propiedad que ciertos materiales poseen una resistencia eléctrica absolutamente nula cuando alcanzan la temperatura por debajo de cierto valor (llamada temperatura crítica).
Superconductividad tener metales y sus aleaciones, semiconductores, y materiales cerámicos y otras sustancias. Incluso hay aleaciones y materiales superconductores con uno de los elementos o todo los elementosentrando en su composición, pueden no ser superconductores. Por ejemplo, el sulfuro, la gloria del mercurio con oro y estaño.
Estado superconductor en el material ocurre no gradualmente sino a pasos agigantados, cuando la temperatura está por debajo del nivel crítico. Por encima de esta temperatura el metal, aleación u otro material está en el estado normal, y debajo de él - en el superconductor. Para algunas sustancias, la transición al estado superconductor se hace posible bajo ciertas condiciones externas., por ejemplo, al alcanzar un cierto valor de presión.
Superconductividad como un fenómeno se acompaña de varios efectos. Muy importantes son dos de ellos: la desaparición de la resistencia eléctrica y la expulsión del flujo magnético (campo) de su alcance. Por lo tanto, Es primordial no solo la corriente crítica, y el campo magnético crítico es un cierto valor del campo magnético en el que el superconductor pierde su superconductividad.
El fenómeno de la superconductividad se puede demostrar en la práctica. Si tomas un conductor, buclelo, haciendo un cerrado eléctrico circuito, enfriarlo a una temperatura por debajo de la crítica y llevarle una corriente eléctrica, y luego retire la fuente de corriente eléctrica, la corriente eléctrica en dicho conductor existirá por un período de tiempo ilimitado.
Actualmente disponible superconductores que tienen la propiedad de superconductividad a temperatura ambiente.
El descubrimiento de la superconductividad:
El fenómeno de la superconductividad fue descubierto por primera vez en 1911 por el físico holandés Heike kamerlingh Onnes al investigar la dependencia de la resistencia eléctrica de los metales a la temperatura.
Temperaturas ultrabajas en las que se interesó de nuevo 1893, cuando estableció el laboratorio criogénico.
En 1908 se las arregló para conseguir helio líquido.
Enfriar con eso, mercurio metálico, se sorprendió al descubrir que a una temperatura cercana al cero absoluto (4,15 K), resistencia eléctrica (R) de mercurio cae abruptamente a cero.
En 1912 se descubrieron los dos metales en estado superconductor a bajas temperaturas, plomo y estaño.
Posteriormente se abrió y otros superconductores.
Naturaleza, explicación y teoría de la superconductividad:
Cabe señalar que un total satisfactorio teoría de la superconductividad faltaba actualmente.
En 1957, Jorge. Bardin, L. Cooper y J. Sniffer propuso la llamada teoría BCS (Bardeen - Cooper - Shriffer).
La corriente eléctrica es el movimiento de electrones.. En un conductor convencional, los electrones se mueven individualmente e independientemente superan varios obstáculos en su camino. Durante el movimiento, chocan entre sí y con la celosía cristalina y pierden su energía. Así, en el conductor debido a diferentes obstáculos ocurre la eléctrica resistencia.
Los electrones en condiciones normales tienen espín tomando el valor de -1/2 o +1/2. Pero bajo ciertas condiciones (cuando la temperatura está por debajo del crítico), forman un par. Los electrones con valores opuestos del espín se atraen entre sí.. Estas parejas educadas también se llaman pareja de Cooper.. Este par tiene cero spin y el doble de carga de electrones.. Dado que el giro total de este par es igual a cero, entonces tiene las propiedades de un bosón. Los bosones forman una condensado Bose-Einstein, se unió a todos los bosones libres, y están en el mismo estado cuántico. Se convierten en una sola entidad, capaz de moverse sin chocar con la red y los electrones restantes, es decir, sin pérdida de energía, sin resistencia eléctrica. Entonces existe el efecto de la superconductividad.
Sin embargo, esta teoría no puede explicar la superconductividad a altas temperaturas (superconductividad de alta temperatura).
Clasificación, tipos de superconductores:
A la temperatura crítica, los superconductores se dividen en baja temperatura., si la temperatura crítica por debajo 77 K (-196 ° C) y alta temperatura.
La temperatura de separación es el punto de ebullición del nitrógeno., cual es 77.4 K (-195,75 ° C).
Esta división tiene un valor práctico. En el primer caso, el enfriamiento se hace con helio líquido o gaseoso, y en el segundo caso, el nitrógeno líquido o gaseoso más barato.
La respuesta de los superconductores a un campo magnético son superconductores superconductores tipo I y II.
Superconductores del primer tipo para lograr solo un cierto valor del campo magnético (el llamado campo magnético crítico Hc) perder su superconductividad. A este valor del campo magnético alrededor del superconductor, y sobrepenetra y el conductor pierde su superconductividad.
Tienen superconductores de tipo II que tienen dos valores críticos de campo magnético Hc1 y Hc2. Cuando el campo magnético del primer valor crítico Hc1 hay una penetración parcial del campo magnético en el cuerpo del superconductor, pero la superconductividad se mantuvo. Por encima del segundo campo crítico Hc2, la superconductividad se destruye por completo. Los campos magnéticos del primer al segundo valor crítico en el superconductor hay una estructura de vórtice del magnético campo.
El material de los superconductores se divide en elementos puros., aleaciones, cerámica, superconductores a base de hierro, superconductores orgánicos, etc.
La temperatura de superconductividad de los metales., aleaciones y otros materiales:
| Materiales | Temperatura crítica, K | Campos críticos (a 0 K), GS (mi*) | |
| Los superconductores del primer tipo | Hc | ||
| Rodio | 0,000325 | 0,049 | |
| Tungsteno | 0,012 | 1* | |
| Hafnio | 0,37 | - ** | |
| Titán | 0,39 | 60 | |
| Rutenio | 0,47 | 46* | |
| Cadmio | 0,52 | 28 | |
| Zirconia cúbica | 0,55 | 65* | |
| Osmio | 0,71 | 46,6* | |
| Uranio | 0,8 | - ** | |
| Zinc | 0,85 | 53 | |
| Rodio | 0,9 | - ** | |
| Galio | De 1.08 | 59 | |
| Aluminio | 1,2 | 100* | |
| Renio | 1,7 | 188* | |
| Grafeno de doble capa | ~1,7 | 500 | |
| La aleación AI-Bi | 1,84 | - ** | |
| Talio | 2,37 | 180 | |
| Indio | 3,41 | 280 | |
| Creer | 3,72 | 305 | |
| Mercurio | 4,15 | 411 | |
| Tantalio | 4,5 | 830* | |
| Vanadio | 4,89 | 1340* | |
| Dirigir | 7,19 | 803 | |
| Tecnecio | 11,2 | - ** | |
| H2S (sulfuro de hidrógeno) | 203 a una presión de 150 GPA | 720 000 | |
| Los superconductores del segundo tipo | Hc1 | Hc2 | |
| Niobio | 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 | - ** | - ** |
Nota a la mesa:
* para materiales que están marcados * valor crítico del campo especificado en OE (Oersted), al resto de GS (Gauss).
** - sin datos.
*** Extrapolado al cero absoluto.
Propiedades de los superconductores:
1. Resistencia eléctrica cero.
Estrictamente hablando, la resistencia de los superconductores es cero solo para una corriente eléctrica constante. La resistencia en los superconductores al pasar a través de ellos una corriente alterna es cero y aumenta al aumentar la temperatura..
2. La temperatura crítica de los superconductores..
3. Superconductores de campo magnético crítico.
Este valor de campo magnético por encima del cual el superconductor pierde su superconductividad y se convierte en un estado normal característico del conductor normal..
El valor del campo magnético crítico varía según el material del superconductor y puede variar desde varias decenas de Gauss hasta varios cientos de miles de Gauss.. En la tabla de valores de la superconductividad de los materiales se indica el campo magnético crítico a una temperatura de cero absoluto (0 K).
La temperatura crítica magnética crítica está interrelacionada. Cuando la temperatura del campo magnético crítico del superconductor disminuye. La temperatura de transición del estado superconductor al campo magnético crítico del estado normal es cero, y en el cero absoluto es posible.
La dependencia del campo crítico de la temperatura con buena precisión se describe mediante la expresión:
NS(T) = FNL · (1 - T2 / Tc2)
donde NS(T), el campo magnético crítico a una temperatura determinada, NSO - campo crítico a temperatura cero, T es la temperatura especificada, TC - temperatura crítica.
Para superconductores de tipo II, especificamos dos valores del campo magnético. También es fácil ver lo que es un campo gigante capaz de resistir los superconductores tipo II sin destruir la superconductividad..
4. La corriente crítica en superconductores.
Este valor es la corriente CC máxima que puede soportar el superconductor sin pérdida del estado superconductor. Cuando se excede este valor, el superconductor pierde su superconductividad.
Como el campo magnético crítico, la corriente crítica es inversamente proporcional a la temperatura dependiente, disminuyendo con su aumento.
5. La expulsión del campo magnético por un superconductor de su volumen..
Este fenómeno se denominó efecto Meissner por el nombre del descubridor..
El efecto Meissner significa la expulsión completa de magnético Campos del volumen del conductor en su transición al estado superconductor.. Dentro del superconductor la magnetización es igual a cero. Por primera vez se observó el fenómeno en 1933, los físicos alemanes W. Meissner y R. Oxfield.
Sin embargo, no todos los superconductores hay un efecto Meissner completo. Las sustancias que muestran un efecto Meissner completo se denominan superconductores del primer tipo y fraccionales: superconductores del segundo tipo.. Para los superconductores, el campo magnético en el rango de valores Hc1 - Hc2 penetra y actúa en forma de vórtices de Abrikosov. Sin embargo, Cabe señalar que en campos magnéticos bajos (valores más bajos de Hc y Hc1 ) completar el efecto Meissner tiene todo tipo de superconductores.
La ausencia de un campo magnético en el volumen del superconductor significa que eléctrico la corriente fluye solo en la capa superficial del superconductor.
6. La profundidad de la penetración.
Esta es la distancia a la que el flujo magnético penetra en el superconductor.. Típicamente, este valor se llama profundidad de penetración de andonovski (después de los hermanos de Londres).
La profundidad de penetración es función de la temperatura., es directamente proporcional a ella y diferente en diferentes materiales.
Basado en las acciones del efecto Meissner, el campo magnético es expulsado del superconductor por las corrientes que circulan en su capa superficial, cuyo espesor es aproximadamente igual a la profundidad de penetración. Estas corrientes crean un campo magnético., qué campo kompensiruet aplicado desde el exterior, no permitirle entrar.
Al alcanzar el campo magnético el valor crítico penetra completamente en la profundidad de penetración y captura todo el superconductor..
7. Longitud de coherencia.
Esta es la distancia a la que los electrones interactúan entre sí., creando un estado superconductor. Los electrones dentro de la longitud de coherencia se mueven en concierto, coherentemente (como si “arriba”).
8. Calor especifico.
Este valor muestra la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia 1 K.
El calor específico de un superconductor abruptamente (abruptamente) aumenta cerca de la temperatura de transición al estado superconductor, y rápido (abruptamente) disminuye al disminuir la temperatura. En otras palabras, en la región de transición para elevar la temperatura de una sustancia en el estado superconductor se requiere más calor de lo normal, y a temperaturas muy bajas - al contrario.
Aplicación de superconductividad:
- para obtener campos magnéticos fuertes. Desde el paso del superconductor a fuertes corrientes, creando un fuerte campo magnético, sin pérdidas térmicas. Para la obtención de fuertes campos magnéticos se utilizan superconductores tipo II debido a que el campo magnético crítico HC2 para ellos es muy grande,
en cables eléctricos y líneas eléctricas (líneas eléctricas). Entonces, un cable eléctrico delgado del superconductor capaz de transmitir corriente eléctrica para la transmisión es normalmente un conductor debe tener un tamaño considerable (diámetro),
- en generadores de alta corriente y motores,
- en instrumentos de medida,
en Maglie (el tren de levitación magnética).
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