Suprajohteet
Suprajohteet.
Suprajohteet ovat materiaaleja, joiden sähköinen vastus saavuttaa lämpötilan alle tietyn arvon (kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi) tulee yhtä suuri kuin absoluuttinen nolla. Tällaisissa tapauksissa sanotaan, että materiaali saa suprajohtavuuden, suprajohtavat ominaisuudet tai menee suprajohtavaan tilaan.
Kuvaus. Materiaalien suprajohteet
Matalan ja korkean lämpötilan suprajohteet
Luokittelu, suprajohteiden tyypit ja käyttötavat
Suprajohteiden ominaisuudet, vaikutuksia
Meissner-vaikutus, kvanttilevitaatio
Suprajohteiden käyttö ja käyttö
Kuvaus. Materiaalit ovat suprajohteita.
Suprajohteet ovat materiaaleja, joiden sähköinen vastus saavuttaa lämpötilan alle tietyn arvon (kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi) tulee yhtä suuri kuin absoluuttinen nolla. Tällaisissa tapauksissa sanotaan, että materiaali saa suprajohtavuuden, suprajohtavat ominaisuudet tai menee suprajohtavaan tilaan.
Suprajohteet ovat täysin erilaisia materiaaleja, jotka normaalitilassa eivät ole edes johtimia. Lisäksi metallit ja niiden seokset, suprajohteisiin kuuluvat tietyt puolijohteet, keraamiset materiaalit, suprajohteet rauta-, orgaaniset suprajohteet ja muut aineet, kuten rikkivety.
Suprajohteesta tulee suprajohtava tila, ei vähitellen, mutta harppauksin - kun lämpötila on kriittisen alapuolella. Tämän lämpötilan yläpuolella metallia, seos tai muu materiaali on normaalissa tilassa (kapellimestari, puolijohde tai dielektrinen), ja sen alapuolella - suprajohde. Jotkut aineet suprajohtavia ominaisuuksia esiintyvät, kun tietyt ulkoiset olosuhteet, esimerkiksi, saavutettuaan tietty paine-arvo.
Sääntönä, kriittinen lämpötila on hyvin matala, mikä rajoittaa suprajohteiden käyttöä. kuitenkin, viime vuosina (sisään 2017) avattiin suprajohteita, joilla oli suprajohtavuus huoneenlämpötilassa.
Suprajohteiden löytäminen:
Ensimmäinen suprajohde avattiin vuonna 1911 hollantilainen fyysikko Heike kamerlingh Onnes elohopeassa. Hän suoritti kokeita tämän metallin sähköisten ominaisuuksien varmentamiseksi alenevassa lämpötilassa. Tuolloin oletettiin, että lämpötilan lasku laskee vähitellen ja sähköinen johtimen vastus, ja liian matalissa lämpötiloissa elektronien väitetään melkein pysähtyvän eikä metalli enää johda virtaa.
kuitenkin, kokeessa, saatiin päinvastainen vaikutus. Ensinnäkin - matalissa lämpötiloissa elohopean sähköinen vastus laski vähitellen, ja sitten lämpötilan ylittämisen jälkeen 4.15 Kelvin - katosi kokonaan. Tämä vaikutus kutsuttiin suprajohtavuudeksi.
Seuraava vuosi, löydettiin kaksi metalli-suprajohtoa: lyijy ja tina.
Myöhemmin avattiin ja muut suprajohteet.
Matalan ja korkean lämpötilan suprajohteet:
Kaikkien suprajohteiden kriittisen lämpötilan arvoista riippuen jaetaan matalaan ja korkeaan lämpötilaan. Lähtökohtana hyväksytty lämpötila 77 K (-196 ° C), joka on likimääräinen nestemäisen typen kiehumispiste 77,4 K (-95,75 ° C).
Jaolla on selvästi käytännön arvo. Niin, materiaalin jäähdyttämiseen nestekaasuja käyttäen. Jäähdytä alla oleva materiaali 77 K (-196 ° C) käyttämällä nestemäistä heliumia. Nestemäisen heliumin kiehumispiste on 4,222 K (-268,928 ° C). Korkean lämpötilan suprajohteiden jäähdyttämiseen, kriittinen lämpötila, jossa yli 77 K, käyttämällä nestemäistä typpeä, joka on helpompaa ja halvempaa saada.
Luokittelu, erityyppiset suprajohteet:
Suprajohteiden vaste niiden jakamalle magneettikentälle suprajohteet 1. sija (ensimmäinen) ystävällinen ja suprajohteet 2 (toinen) ystävällinen.
Suprajohteet 1. sija (ensimmäinen) sellainen saavuttaa vain tietyn magneettikentän arvon (niin kutsuttu kriittinen magneettikenttä Hc) menettävät suprajohtavuutensa. Tähän arvoon magneettinen suprajohtimen ympärillä, ja se tunkeutuu liikaa ja johdin menettää suprajohtavuutensa.
Suprajohteilla on 2 (toinen) ystävällinen, on kaksi kriittistä magneettikentän arvoa Hc1 ja Hc2. Kun magneettinen Ensimmäisen kriittisen arvon Hc1 kentässä magneettikenttä tunkeutuu osittain suprajohtimen runkoon, mutta suprajohtavuus säilyi. Toisen kriittisen kentän Hc2 yläpuolella, suprajohtavuus tuhoutuu kokonaan. Magneettikentät ensimmäisestä toiseen kriittiseen arvoon suprajohteessa on pyörre-rakenne magneettikentän.
Kriittisessä lämpötilassa suprajohteet jaetaan matalan lämpötilan suprajohteisiin (TC < 77 K) ja korkean lämpötilan suprajohteet (TC > 77K).
Suprajohteiden ominaisuudet, vaikutuksia:
1. Nolla sähkövastus.
Suprajohteiden vastus on nolla, kun se johdetaan vakiona sähkövirralla. Jos ohitat vuorotellen sähköinen nykyinen, se ei ole nolla ja kasvaa lämpötilan noustessa.
2. Suprajohteiden kriittinen lämpötila.
Kriittinen lämpötila jakaa suprajohteet kahteen tilaan: normaali ja suprajohtava.
3. Kriittiset magneettikentän suprajohteet.
Jos suprajohde sijoitetaan ulkoiseen magneettikenttään, jälkimmäinen taipuu sen ympärille. kuitenkin, tietyissä magneettikentän kriittisissä arvoissa materiaali menettää suprajohtavat ominaisuutensa ja muuttuu normaaliksi materiaalia. Tätä magneettikentän arvoa pidetään kriittisenä kenttänä.
5. Suprajohteen magneettikentän karkottaminen sen tilavuudesta.
Tätä ilmiötä kutsuttiin Meissner-efektiksi löytäjän nimen jälkeen. Ensimmäistä kertaa ilmiötä havaittiin kokeellisesti vuonna 1933 saksalaiset fyysikot W. Meissner ja R. Oxfield.
Meissner-ilmiö tarkoittaa ulkoisten magneettikenttien täydellistä karkottamista johtimen tilavuudesta sen siirtyessä suprajohtavaan tilaan. Suprajohteen sisällä magnetointi on yhtä suuri kuin nolla. Suprajohtimen sisällä on jatkuvia virtoja, jotka luovat sisäisen magneettikentän, joka on suunnattu vastakkaiseen ulkoiseen, sovellettu magneettikenttä ja kompensoimalla sitä.
kuitenkin, kaikilla suprajohteilla ei ole täydellistä Meissner-vaikutusta. Aineita, joilla on täydellinen Meissner-vaikutus, kutsutaan ensimmäisen tyyppisiksi suprajohteiksi ja toisen luokan murto-suprajohteiksi. Suprajohteiden magneettikenttä Hc1 - Hc2 tunkeutuu ja toimii Abrikosov-pyörteiden muodossa. kuitenkin, On huomattava, että matalissa magneettikentissä (pienemmät Hc: n ja Hc1: n arvot ) Meissner-ilmiön täydentämiseksi kaikentyyppiset suprajohteet.
Ulkoisen magneettikentän puuttuminen suprajohteen tilavuudesta tarkoittaa sitä sähköinen virta virtaa vain suprajohteen pintakerroksessa.
Jos otat toisenlaisen suprajohtimen (esijäähdytetty), ja sitten tuoda hänet voimakkaaseen magneettiin, suprajohde muodostaa oman magneettikentän, voimakkuudeltaan samanlainen kuin magneettikenttä. Tuloksena, suprajohtimen magneettikenttä ja magneetti työntävät toisiaan ja levetoivat hiljaa magneettia - leijuen suprajohtimen päällä. Tätä vaikutusta kutsutaan myös Meissner-vaikutukseksi.
Ja päinvastoin, vastaavasti, jos sijoitat suprajohtimen magneetin päälle, myös Meissner-vaikutuksen vaikutuksesta johtava suprajohde leijuu - levitoi magneetin yläpuolella.
Magneettikenttä on kirjaimellisesti "puuttuva" suprajohde ja sitkeä "pitää" missä tahansa asennossa, jossa hän oli alun perin magneetin päällä tai alla. Siksi on mahdollista paitsi pitää suprajohde tai magneetti halutussa asennossa ilma, mutta pakottaa suprajohde liikkumaan magneettisten "kiskojen" yli ja jopa alle suurella nopeudella.
7. Aineen siirtyminen suprajohtavassa tilassa liittyy muutoksiin sen lämpöominaisuuksissa - ominaislämpökapasiteetissa.
Ominaislämpökapasiteetilla tarkoitetaan fysikaalista määrää, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin lämpömäärä, joka tarvitaan massa-aineen lämpötilan nostamiseen 1 kg mennessä 1 K.
Suprajohteen ominaislämpö äkillisesti (yhtäkkiä) nousee lähellä siirtymälämpötilaa suprajohtavaan tilaan, ja nopeasti (yhtäkkiä) laskee lämpötilan laskiessa. Toisin sanoen, Siirtymäalueella aineen lämpötilan nostaminen suprajohtavassa tilassa vaatii enemmän lämpöä kuin normaalisti, ja hyvin matalissa lämpötiloissa - päinvastoin.
8. Kriittinen virta.
Tämä arvo on suurin tasavirta, joka kestää suprajohteen menettämättä suprajohtavaa tilaa. Kun tämä arvo ylitetään, suprajohde menettää suprajohtavuutensa. Kriittisenä magneettikenttänä, kriittinen virta on kääntäen verrannollinen lämpötilaan riippuvaan, vähenee sen lisääntyessä.
Suprajohteet 1 ystävällinen ja 2 erilaisia suprajohteita, metallien ja muiden materiaalien kriittinen lämpötila ja kriittinen magneettikenttä:
| Materiaalit | Kriittinen lämpötila, K | Kriittiset kentät (klo 0 K), GS (e *) | |
| 1. luokan suprajohteet | Hc | ||
| Rodium | 0,000325 | 0,049 | |
| Volframi | 0,012 | 1* | |
| Hafnium | 0,37 | - ** | |
| Titan | 0,39 | 60 | |
| Rutiini | 0,47 | 46* | |
| Kadmium | 0,52 | 28 | |
| Kuutiomainen zirkonium | 0,55 | 65* | |
| Osmium | 0,71 | 46,6* | |
| Uraani | 0,8 | - ** | |
| Sinkki | 0,85 | 53 | |
| Rodium | 0,9 | - ** | |
| Gallium | Of 1.08 | 59 | |
| Alumiini | 1,2 | 100* | |
| Renium | 1,7 | 188* | |
| Seos AI-Bi | 1,84 | - ** | |
| Tallium | 2,37 | 180 | |
| Indium | 3,41 | 280 | |
| Usko | 3,72 | 305 | |
| Merkurius | 4,15 | 411 | |
| Tantaali | 4,5 | 830* | |
| Vanadiini | 4,89 | 1340* | |
| Platina | 7,19 | 803 | |
| Teknetium | 11,2 | - ** | |
| H2S (rikkivety) | 203 paineessa 150 GPA | 720 000 | |
| Toisen tyyppiset suprajohteet | Hc1 | Hc2 | |
| Niobium | 9,25 | 1735 | 4040 |
| Pb1Mo5,1S6 | 14.4 V | – | 600 000 |
| Nb3Sn | 18,1 | – | 220 000 |
| (Nb3Al)4Antaa | 20 | - ** | - ** |
| Nb3Ge | 23,2 | – | 400 000 |
| MgB2 | 39 | - ** | - ** |
| Yb0,9Ca0,1Ba1,8Sr0,2Cu4O8 | 86 | - ** | - ** |
| YBa2Cu3O7 | 93 | 1000*** | 1 000 000*** |
| Bi1,6Pb0,6Sr2Ca2Sb0,1Си3Ох | 115 | - ** | - ** |
| HgBa2Ca2Cu3O8 + x | 135 | - ** | - ** |
Huomautus:
* merkityille materiaaleille * OE-kentässä määritetyn kentän kriittinen arvo (Oersted), muulle GS: lle (Gauss).
** - ei dataa.
*** Ekstrapoloitu absoluuttiseen nollaan.
© Kuva , ,
https://www.leadingedgeonly.com/innovation/view/superconducting-teipit
