Superkonduktivitas, fenomena, penemuan, teori dan aplikasi
Superkonduktivitas, fenomena, penemuan, teori, aplikasi, dan suhu superkonduktivitas.
Superkonduktivitas adalah sifat bahan tertentu yang memiliki hambatan listrik sama sekali nol ketika mencapai suhu di bawah nilai tertentu (disebut suhu kritis).
Deskripsi. Fenomena superkonduktivitas
Alam, penjelasan dan teori superkonduktivitas
Klasifikasi, jenis dan kegunaan superkonduktor
Suhu superkonduktivitas logam, paduan dan bahan lainnya
Deskripsi. Fenomena superkonduktivitas:
Superkonduktivitas adalah properti bahan tertentu memiliki hambatan listrik sama sekali nol ketika mencapai suhu di bawah nilai tertentu (disebut suhu kritis).
Superkonduktivitas memiliki logam dan paduannya, semikonduktor, dan bahan keramik dan bahan lainnya. Bahkan ada paduan dan bahan superkonduktor dengan salah satunya elemen atau semuanya elemen-elemenmasuk ke dalam komposisinya, mungkin bukan superkonduktor. Sebagai contoh, sulfida, kemuliaan merkuri dengan emas dan timah.
Keadaan superkonduktor dalam materi terjadi tidak secara bertahap tetapi dalam lompatan - saat suhu di bawah kritis. Di atas suhu ini logam, paduan atau bahan lain dalam keadaan normal, dan di bawahnya - di superkonduktor. Untuk beberapa zat, transisi ke keadaan superkonduktor menjadi mungkin dalam kondisi eksternal tertentu, sebagai contoh, setelah mencapai nilai tekanan tertentu.
Superkonduktivitas sebagai fenomena disertai dengan beberapa efek. Sangat penting adalah dua di antaranya: hilangnya hambatan listrik dan pengusiran fluks magnet (bidang) dari ruang lingkupnya. Karena itu, itu penting bukan hanya arus kritis, dan medan magnet kritis adalah nilai tertentu dari medan magnet di mana superkonduktor kehilangan superkonduktivitasnya.
Fenomena superkonduktivitas bisa dibuktikan dalam praktek. Jika Anda mengambil seorang konduktor, putar itu, membuat penutupan listrik sirkuit, mendinginkannya ke suhu di bawah kritis dan memberinya arus listrik, lalu hilangkan sumber arus listrik, arus listrik dalam konduktor seperti itu akan ada untuk jangka waktu yang tidak terbatas.
Tersedia saat ini superkonduktor memiliki sifat superkonduktivitas pada suhu kamar.
Penemuan superkonduktivitas:
Fenomena superkonduktivitas pertama kali ditemukan di 1911 oleh fisikawan Belanda Heike kamerlingh Onnes dengan menyelidiki ketergantungan hambatan listrik logam pada suhu.
Suhu yang sangat rendah membuatnya tertarik kembali 1893, ketika dia mendirikan laboratorium kriogenik.
Di dalam 1908 dia berhasil mendapatkan helium cair.
Mendinginkan dengan itu, merkuri logam, ia terkejut menemukan bahwa pada suhu mendekati nol mutlak (4,15 K), hambatan listrik (R) merkuri tiba-tiba turun menjadi nol.
Di dalam 1912 ditemukan dua logam menjadi superkonduktor pada suhu rendah, timah dan timah.
Kemudian superkonduktor dibuka dan lainnya.
Alam, penjelasan dan teori superkonduktivitas:
Perlu dicatat bahwa memuaskan sepenuhnya teori superkonduktivitas saat ini hilang.
Di dalam 1957, George. Bardin, L. Cooper dan J. Sniffer mengajukan apa yang disebut teori BCS (Bardeen - Cooper - menjerit).
Arus listrik adalah pergerakan elektron. Dalam konduktor konvensional, elektron bergerak sendiri-sendiri dan secara mandiri mengatasi berbagai rintangan di jalurnya. Selama bergerak, mereka bertabrakan satu sama lain dan dengan kisi kristal dan kehilangan energinya. Jadi, di konduktor karena hambatan yang berbeda terjadi listrik perlawanan.
Elektron dalam kondisi normal berputar mengambil nilai -1/2 atau +1/2. Namun dalam kondisi tertentu (saat suhu di bawah kritis), mereka membentuk pasangan. Elektron dengan nilai putaran yang berlawanan tertarik satu sama lain. Pasangan terpelajar ini disebut juga pasangan Cooper. Pasangan ini memiliki putaran nol dan muatan elektron dua kali lipat. Karena putaran total pasangan ini sama dengan nol, lalu ia memiliki sifat boson. Boson membentuk a kondensat Bose-Einstein, bergabung dengan semua boson gratis, dan berada dalam status kuantum yang sama. Mereka menjadi satu kesatuan, dapat bergerak tanpa bertabrakan dengan kisi dan elektron yang tersisa, itu adalah, tanpa kehilangan energi, tanpa hambatan listrik. Jadi ada pengaruh superkonduktivitas.
Namun, teori ini tidak dapat menjelaskan superkonduktivitas pada suhu tinggi (superkonduktivitas suhu tinggi).
Klasifikasi, jenis superkonduktor:
Pada superkonduktor suhu kritis dibagi menjadi suhu rendah, jika suhu kritis di bawah 77 K (-196 ° C) dan suhu tinggi.
Suhu pemisahan adalah titik didih nitrogen, yang mana 77.4 K (-195,75 ° C).
Pembagian ini memiliki nilai praktis. Dalam kasus pertama, pendinginan dibuat helium cair atau gas, dan dalam kasus kedua - nitrogen cair atau gas yang lebih murah.
Respon dari superkonduktor terhadap medan magnet adalah superkonduktor tipe I dan II superkonduktor.
Superkonduktor jenis pertama hanya mencapai nilai tertentu dari medan magnet (yang disebut medan magnet kritis Hc) kehilangan superkonduktivitasnya. Untuk nilai ini medan magnet di sekitar superkonduktor, dan itu menembus berlebihan dan konduktor kehilangan superkonduktivitasnya.
Memiliki superkonduktor tipe II memiliki dua nilai medan magnet kritis Hc1 dan Hc2. Ketika medan magnet bernilai kritis pertama Hc1 terjadi penetrasi sebagian medan magnet ke dalam tubuh superkonduktor, tetapi superkonduktivitas dipertahankan. Di atas bidang kritis kedua Hc2, superkonduktivitas hancur sama sekali. Medan magnet dari nilai kritis pertama sampai kedua pada superkonduktor terdapat struktur pusaran air magnet bidang.
Bahan superkonduktor dibagi menjadi elemen murni, paduan, keramik, superkonduktor berdasarkan besi, superkonduktor organik, dll.
Suhu superkonduktivitas logam, paduan dan bahan lainnya:
| Bahan | Temperatur kritis, K | Bidang kritis (di 0 K), GS (e *) | |
| Superkonduktor dari jenis pertama | Hc | ||
| Rhodium | 0,000325 | 0,049 | |
| Tungsten | 0,012 | 1* | |
| Hafnium | 0,37 | - ** | |
| bor | 0,39 | 60 | |
| Ruthenium | 0,47 | 46* | |
| Kadmium | 0,52 | 28 | |
| Zirkonia Kubik | 0,55 | 65* | |
| Osmium | 0,71 | 46,6* | |
| Uranium | 0,8 | - ** | |
| Seng | 0,85 | 53 | |
| Rhodium | 0,9 | - ** | |
| Gallium | Dari 1.08 | 59 | |
| Aluminium | 1,2 | 100* | |
| Renium | 1,7 | 188* | |
| Graphene lapis ganda | ~1,7 | 500 | |
| Paduan AI-Bi | 1,84 | - ** | |
| Talium | 2,37 | 180 | |
| indium | 3,41 | 280 | |
| Percaya | 3,72 | 305 | |
| Air raksa | 4,15 | 411 | |
| Tantalum | 4,5 | 830* | |
| Vanadium | 4,89 | 1340* | |
| Memimpin | 7,19 | 803 | |
| Teknesium | 11,2 | - ** | |
| H2S (hidrogen sulfida) | 203 pada tekanan 150 IPK | 720 000 | |
| Superkonduktor dari jenis ke-2 | Hc1 | Hc2 | |
| Niobium | 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 | - ** | - ** |
Catatan untuk tabel:
* untuk bahan yang diberi tanda * nilai kritis dari bidang yang ditentukan dalam OE (Oersted), ke GS lainnya (Gauss).
** - tidak ada data.
*** Diekstrapolasi menjadi nol mutlak.
Sifat superkonduktor:
1. Nol hambatan listrik.
Sesungguhnya, resistansi superkonduktor adalah nol hanya untuk arus listrik yang konstan. Resistensi dalam superkonduktor saat melewatinya, arus bolak-balik adalah nol dan meningkat dengan meningkatnya suhu.
2. Suhu kritis superkonduktor.
3. Superkonduktor medan magnet kritis.
Nilai medan magnet dimana superkonduktor kehilangan superkonduktivitasnya dan menjadi karakteristik keadaan normal dari konduktor normal..
Nilai medan magnet kritis bervariasi tergantung pada bahan superkonduktor dan dapat bervariasi dari beberapa puluh Gauss hingga beberapa ratus ribu Gauss. Dalam tabel nilai superkonduktivitas bahan menunjukkan medan magnet kritis pada suhu nol mutlak (0 K).
Suhu kritis magnetis kritis saling terkait. Ketika suhu medan magnet kritis superkonduktor menurun. Temperatur transisi dari keadaan superkonduktor ke keadaan normal medan magnet kritis adalah nol, dan pada nol mutlak itu mungkin.
Ketergantungan bidang kritis pada suhu dengan presisi yang baik dijelaskan oleh ekspresi tersebut:
NS(T) = FNL · (1 - T2 / Tc2)
dimana NS(T), medan magnet kritis pada suhu tertentu, NSO - bidang kritis pada suhu nol, T adalah suhu yang ditentukan, TC - suhu kritis.
Untuk superkonduktor tipe II, kami menentukan dua nilai medan magnet. Juga mudah untuk melihat seperti apa medan raksasa yang mampu menahan superkonduktor tipe-II tanpa merusak superkonduktivitas..
4. Arus kritis dalam superkonduktor.
Nilai ini adalah arus DC maksimum yang dapat menahan superkonduktor tanpa kehilangan status superkonduktor. Ketika nilai ini terlampaui, superkonduktor kehilangan superkonduktivitasnya.
Sebagai medan magnet kritis, arus kritis berbanding terbalik dengan ketergantungan suhu, menurun dengan peningkatannya.
5. Pengusiran medan magnet oleh superkonduktor dari volumenya.
Fenomena ini disebut efek Meissner setelah nama penemunya.
Efek Meissner berarti pengusiran total magnet bidang dari volume konduktor dalam transisinya ke keadaan superkonduktor. Di dalam superkonduktor magnetisasi sama dengan nol. Untuk pertama kalinya fenomena itu diamati di 1933, fisikawan Jerman W. Meissner dan R. Oxfield.
Namun, tidak semua superkonduktor memiliki efek Meissner yang lengkap. Zat yang menunjukkan efek Meissner lengkap disebut superkonduktor dari jenis pertama dan pecahan - superkonduktor dari jenis kedua. Untuk superkonduktor, medan magnet dalam kisaran nilai Hc1 - Hc2 menembus dan bertindak dalam bentuk pusaran Abrikosov. Namun, perlu dicatat bahwa dalam medan magnet rendah (nilai Hc dan Hc1 yang lebih rendah ) menyelesaikan efek Meissner memiliki semua jenis superkonduktor.
Tidak adanya medan magnet dalam volume superkonduktor berarti itu listrik arus hanya mengalir di lapisan permukaan superkonduktor.
6. Kedalaman penetrasi.
Ini adalah jarak di mana fluks magnet menembus superkonduktor. Khas, nilai ini disebut kedalaman penetrasi andonovski (setelah saudara laki-laki London).
Kedalaman penetrasi adalah fungsi dari suhu, berbanding lurus dengannya dan berbeda dalam bahan yang berbeda.
Berdasarkan tindakan efek Meissner, medan magnet dikeluarkan dari superkonduktor oleh arus yang beredar di lapisan permukaannya, ketebalannya kira-kira sama dengan kedalaman penetrasi. Arus ini menciptakan medan magnet, bidang kompensiruet yang diterapkan dari luar, tidak membiarkan dia masuk.
Setelah mencapai medan magnet nilai kritis itu sepenuhnya menembus kedalaman penetrasi dan menangkap seluruh superkonduktor.
7. Panjang koherensi.
Ini adalah jarak di mana elektron berinteraksi satu sama lain, menciptakan keadaan superkonduktor. Elektron dalam panjang koherensi bergerak serempak - secara koheren (seolah-olah “naik”).
8. Panas spesifik.
Nilai ini menunjukkan jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram suatu zat 1 K.
Panas jenis superkonduktor secara tiba-tiba (tiba-tiba) meningkat mendekati suhu transisi ke keadaan superkonduktor, dan dengan cepat (tiba-tiba) menurun dengan penurunan suhu. Dengan kata lain, di daerah transisi untuk menaikkan suhu suatu zat dalam keadaan superkonduktor membutuhkan panas lebih dari biasanya, dan pada suhu yang sangat rendah - sebaliknya.
Penerapan superkonduktivitas:
- untuk mendapatkan medan magnet yang kuat. Sejak lewatnya superkonduktor ke arus kuat, menciptakan medan magnet yang kuat, tidak ada kerugian termal. Untuk mendapatkan medan magnet yang kuat digunakan superkonduktor tipe II karena medan magnet kritis HC2 untuk mereka sangat besar,
di kabel listrik dan saluran listrik (saluran listrik). Begitu, satu kabel listrik tipis dari superkonduktor yang mampu mentransmisikan arus listrik untuk transmisi biasanya sebuah konduktor harus mempunyai ukuran yang cukup besar (diameter),
- di generator arus tinggi dan motor,
- dalam alat ukur,
di Maglie (kereta levitasi magnetik).
© Foto ,
