Szupravezetés, jelenség, felfedezés, elmélet és alkalmazások
Szupravezetés, jelenség, felfedezés, elmélet, Alkalmazás, és a szupravezetés hőmérséklete.
A szupravezetés az a tulajdonság, amely bizonyos anyagoknak nulla elektromos ellenállással bír, ha elérik a hőmérsékletet egy bizonyos érték alatt (kritikus hőmérsékletnek nevezzük).
Leírás. A szupravezetés jelensége
Természet, a szupravezetés magyarázata és elmélete
Osztályozás, a szupravezetők típusai és felhasználása
A fémek szupravezetési hőmérséklete, ötvözetek és egyéb anyagok
Leírás. A szupravezetés jelensége:
Szupravezetés tulajdonság, amely bizonyos anyagoknak teljesen nulla elektromos ellenállással rendelkezik, ha elérik a hőmérsékletet egy bizonyos érték alatt (kritikus hőmérsékletnek nevezzük).
Szupravezetés van fémek és ötvözeteik, félvezetők, kerámia anyagok és egyéb anyagok. Vannak még szupravezető ötvözetek és anyagok is az egyik elemek vagy mindet az elemekösszetételébe lépve, nem lehetnek szupravezetők. Például, a szulfid, a higany dicsősége arannyal és ónnal.
Szupravezető állapot az anyagban nem fokozatosan, hanem ugrásszerűen történik - amikor a hőmérséklet a kritikus alatt van. Ezen hőmérséklet felett a fém, ötvözet vagy más anyag normál állapotban van, és alatta - a szupravezetőben. Egyes anyagok esetében a szupravezető állapotba való átmenet bizonyos külső körülmények között lehetővé válik, például, egy bizonyos nyomásérték elérésekor.
Szupravezetés mint jelenség több effektus kíséri. Nagyon fontos ezek közül kettő: az elektromos ellenállás eltűnése és a mágneses fluxus kiszorítása (terület) hatálya alól. Ezért, nem csak a kritikus áram szempontjából a legfontosabb, és a kritikus mágneses tér a mágneses mező bizonyos értéke, amelynél a szupravezető elveszíti szupravezetését.
A szupravezetés jelensége a gyakorlatban kimutatható. Ha karmestert veszel, hurok, zárt készítése elektromos áramkör, lehűtése a kritikus alatti hőmérsékletre és elektromos áramhoz juttatása, majd távolítsa el az elektromos áram forrását, az elektromos áram egy ilyen vezetőben korlátlan ideig fennáll.
Jelenleg elérhető szupravezetők, amelyek szobahőmérsékleten szupravezetéssel rendelkeznek.
A szupravezetés felfedezése:
A szupravezetés jelensége először fedezték fel 1911 Heike kamerlingh Onnes holland fizikus által a fémek elektromos ellenállásának hőmérséklettől való függőségének vizsgálatával.
Rendkívül alacsony hőmérsékletek iránt érdeklődött 1893, amikor megalapította a kriogén laboratóriumot.
Ban ben 1908 sikerült folyékony héliumot szereznie.
Hűtés vele, fémes higany, meglepődve tapasztalta, hogy az abszolút nullához közeli hőmérsékleten (4,15 K), elektromos ellenállás (R) higany hirtelen nullára csökken.
Ban ben 1912 felfedezték a két fémet szupravezető állapotban alacsony hőmérsékleten, ólom és ón.
Ezt követően kinyitották és más szupravezetők.
Természet, a szupravezetés magyarázata és elmélete:
Meg kell jegyezni, hogy teljesen kielégítő szupravezetés elmélete jelenleg hiányzott.
Ban ben 1957, György. Bardin, AZ. Cooper és J. Sniffer az úgynevezett BCS elméletet javasolta (Bardeen - Cooper - shriffer).
Az elektromos áram az elektronok mozgása. Hagyományos vezetőben, az elektronok külön-külön mozognak, és függetlenül legyőzik az útjában lévő különféle akadályokat. Mozgás közben, ütköznek egymással és a kristályráccsal és elveszítik energiáját. És így, a vezetőben különböző akadályok miatt következik be az elektromos ellenállás.
Az elektronok normál körülmények között pörögnek az értékével -1/2 vagy +1/2. De bizonyos feltételek mellett (amikor a hőmérséklet a kritikus alatt van), párot alkotnak. A spin ellentétes értékével rendelkező elektronok vonzódnak egymáshoz. Ezeket a képzett párokat Cooper pároknak is nevezik. Ennek a párnak nulla a spinje és kétszer az elektron töltése. Mivel ennek a párnak az összes spinje egyenlő nulla, akkor a bozon tulajdonságai vannak. A bozonok alkotják a kondenzátum Bose-Einstein, csatlakozott az összes szabad bozonhoz, és ugyanabban a kvantum állapotban vannak. Egyetlen entitássá válnak, képes a rács és a megmaradt elektronok ütközése nélkül mozogni, vagyis, energiaveszteség nélkül, elektromos ellenállás nélkül. Tehát fennáll a szupravezetés hatása.
azonban, ez az elmélet nem magyarázza meg a szupravezetést magas hőmérsékleten (magas hőmérsékletű szupravezetés).
Osztályozás, típusú szupravezetők:
A kritikus hőmérsékleten a szupravezetők alacsony hőmérsékletre vannak felosztva, ha a kritikus hőmérséklet alatt van 77 K (-196 ° C) és magas hőmérséklet.
Az elválasztás hőmérséklete a nitrogén forráspontja, ami 77.4 K (-195,75 ° C).
Ennek a felosztásnak gyakorlati értéke van. Az első esetben, a hűtést folyékony vagy gáznemű héliummá teszik, a második esetben pedig az olcsóbb folyékony vagy gáznemű nitrogén.
A szupravezetők mágneses mezőre adott válasza I. és II. Típusú szupravezetők.
Az első típusú szupravezetők csak a mágneses mező bizonyos értékének elérésére (az úgynevezett kritikus Hc mágneses mező) elveszítik szupravezetésüket. A szupravezető körüli mágneses mező ezen értékéhez, és túl áthatol, és a vezető elveszíti szupravezetését.
A II. Típusú szupravezetőknek két kritikus mágneses térértékük van: Hc1 és Hc2. Amikor az első kritikus Hc1 érték mágneses tere a mágneses mező részleges behatolásával jár a szupravezető testében, de a szupravezetés megmaradt. A második kritikus Hc2 mező fölött, a szupravezetés teljesen megsemmisül. A szupravezetőben az első és a második kritikus érték közötti mágneses tér örvényszerkezete van mágneses terület.
A szupravezetők anyaga tiszta elemekre oszlik, ötvözetek, kerámia, vasalapú szupravezetők, szerves szupravezetők, stb..
A fémek szupravezetési hőmérséklete, ötvözetek és egyéb anyagok:
| Anyagok | Kritikus hőmérséklet, K | Kritikus mezők (nál nél 0 K), GS (e *) | |
| Az első típusú szupravezetők | Hc | ||
| Ródium | 0,000325 | 0,049 | |
| Bor | 0,012 | 1* | |
| Hafnium | 0,37 | - ** | |
| Bor | 0,39 | 60 | |
| Ruténium | 0,47 | 46* | |
| Kadmium | 0,52 | 28 | |
| Köbös cirkónia | 0,55 | 65* | |
| Ozmium | 0,71 | 46,6* | |
| Uránium | 0,8 | - ** | |
| Cink | 0,85 | 53 | |
| Ródium | 0,9 | - ** | |
| Gallium | Nak,-nek 1.08 | 59 | |
| Alumínium | 1,2 | 100* | |
| Rénium | 1,7 | 188* | |
| Kétrétegű grafén | ~1,7 | 500 | |
| Az Alloy AI-Bi | 1,84 | - ** | |
| Tallium | 2,37 | 180 | |
| Bor | 3,41 | 280 | |
| Hinni | 3,72 | 305 | |
| Bor | 4,15 | 411 | |
| Tantál | 4,5 | 830* | |
| Vanádium | 4,89 | 1340* | |
| Bor | 7,19 | 803 | |
| Technécium | 11,2 | - ** | |
| H2S (hidrogén-szulfid) | 203 nyomáson 150 GPA | 720 000 | |
| A 2. típusú szupravezetők | Hc1 | Hc2 | |
| Nióbium | 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 | - ** | - ** |
Megjegyzés a táblázathoz:
* megjelölt anyagokra * az OE-ben megadott mező kritikus értéke (Oersted), a GS többi részére (Gauss).
** - nincs adat.
*** Extrapolálva abszolút nullára.
A szupravezetők tulajdonságai:
1. Nulla elektromos ellenállás.
Szigorúan véve, a szupravezetők ellenállása csak állandó elektromos áram esetén nulla. A szupravezetők ellenállása, miközben áthalad rajtuk, a váltakozó áram nulla, és növekszik a hőmérséklet növekedésével.
2. A szupravezetők kritikus hőmérséklete.
3. Kritikus mágneses tér szupravezetők.
Ez a mágneses tér értéke, amely felett a szupravezetõ elveszíti szupravezetõképességét, és a normál vezetõre jellemzõ normál állapottá válik.
A kritikus mágneses tér értéke a szupravezető anyagától függően változhat, és több tíz Gaus-tól több száz ezer Gaus-ig változhat. Az anyagok szupravezetőképességének értéktáblázatában a kritikus mágneses mező látható abszolút nulla hőmérsékleten (0 K).
A kritikus mágneses kritikus hőmérséklet összefügg egymással. Amikor a szupravezető kritikus mágneses térének hőmérséklete csökken. Az átmeneti hőmérséklet a szupravezető állapotból a kritikus mágneses tér normál állapotába nulla, és abszolút nulla esetén lehetséges.
A kritikus mező jó pontosságú hőmérséklettől való függését a kifejezés írja le:
NS(T) = FNL · (1 - T2 / Tc2)
ahol NS(T), a kritikus mágneses mező egy adott hőmérsékleten, NSO - kritikus mező nulla hőmérsékleten, T a megadott hőmérséklet, TC - kritikus hőmérséklet.
II típusú szupravezetőkhöz, a mágneses mező két értékét adjuk meg. Könnyen belátható, hogy milyen óriási mező képes ellenállni a II-es típusú szupravezetőknek anélkül, hogy tönkretenné a szupravezetést.
4. A szupravezetők kritikus árama.
Ez az érték az a maximális egyenáram, amely ellenáll a szupravezetőnek a szupravezető állapot elvesztése nélkül. Ha ezt az értéket túllépik, a szupravezető elveszíti szupravezetését.
Mint kritikus mágneses mező, a kritikus áram fordítottan arányos a hőmérséklettől függ, növekedésével csökken.
5. A mágneses tér szupravezető általi kiszorítása a térfogatából.
Ezt a jelenséget Meissner-effektusnak nevezték a felfedező neve után.
A Meissner-effektus a teljes kiutasítást jelenti mágneses mezők a vezető térfogatától a szupravezető állapotba való átmenetkor. A szupravezető belsejében a mágnesezettség nulla. A jelenséget először a 1933, a német fizikusok W. Meissner és R. Oxfield.
azonban, nem minden szupravezető teljes Meissner-hatást fejt ki. A teljes Meissner-hatást mutató anyagokat elsőfajta szupravezetőknek és frakcionált - második fajtájú. Szupravezetőknél a Hc1 - Hc2 értéktartományban lévő mágneses tér behatol és Abrikosov-örvények formájában hat. azonban, meg kell jegyezni, hogy alacsony mágneses terekben (alacsonyabb Hc és Hc1 értékek ) a Meissner-effektus teljesítéséhez minden típusú szupravezető van.
A mágneses tér hiánya a szupravezető térfogatában azt jelenti elektromos az áram csak a szupravezető felületi rétegében áramlik.
6. A behatolás mélysége.
Ez az a távolság, amikor a mágneses fluxus behatol a szupravezetőbe. Jellemzően, ezt az értéket andonovski behatolási mélységnek nevezzük (a londoni testvérek után).
A behatolási mélység a hőmérséklet függvénye, közvetlenül arányos vele, és különböző a különböző anyagokban.
A Meissner-effektus cselekedetei alapján, a mágneses teret a felületi rétegben keringő áramok dobják ki a szupravezetőből, amelynek vastagsága megközelítőleg megegyezik a behatolási mélységgel. Ezek az áramok mágneses teret hoznak létre, mely kompensiruet mező kívülről alkalmazott, nem engedve bejutni.
A mágneses mező elérésekor a kritikus érték teljesen behatol a behatolási mélységbe, és megragadja az egész szupravezetőt.
7. Koherencia hossza.
Ez az a távolság, amelyen az elektronok kölcsönhatásba lépnek egymással, szupravezető állapot létrehozása. A koherenciahosszon belüli elektronok együtt mozognak - koherensen (mintha “fel”).
8. Fajlagos hő.
Ez az érték megmutatja a hőmérséklet emeléséhez szükséges hőmennyiséget 1 gramm anyagot 1 K.
A szupravezető fajlagos hője hirtelen (hirtelen) a szupravezető állapotba való átmeneti hőmérséklet közelében nő, és gyorsan (hirtelen) csökken a hőmérséklet csökkenésével. Más szavakkal, az átmeneti régióban az anyag hőmérsékletének szupravezető állapotban történő emeléséhez a szokásosnál több hőre van szükség, és nagyon alacsony hőmérsékleten - éppen ellenkezőleg.
Szupravezetés alkalmazása:
- erős mágneses mezők előállításához. Mivel a szupravezető erős áramokba kerül, erős mágneses teret hozva létre, nincs hőveszteség. Erős mágneses mezők eléréséhez a II. Típusú szupravezetők használják, mert a számukra fontos HC2 mágneses tér nagyon nagy,
elektromos kábelekben és távvezetékekben (távvezetékek). Így, a szupravezető egyik vékony elektromos kábele, amely képes elektromos áram továbbítására az átvitelhez, általában egy vezetőnek jelentős méretűnek kell lennie (átmérő),
- nagyáramú generátorokban és motorok,
- mérőeszközökben,
Maglie-ban (a mágneses levitációs vonat).
© Photo ,
