Ορισμός υπεραγωγών, τύποι και χρήσεις
Ένας υπεραγωγός είναι ένα στοιχείο ή ένα μεταλλικό κράμα το οποίο, όταν ψύχεται κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία κατωφλίου, το υλικό χάνει δραματικά κάθε ηλεκτρική αντίσταση. Κατ' αρχήν, οι υπεραγωγοί μπορούν να επιτρέψουν στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει χωρίς καμία απώλεια ενέργειας (αν και, στην πράξη, ένας ιδανικός υπεραγωγός είναι πολύ δύσκολο να παραχθεί). Αυτός ο τύπος ρεύματος ονομάζεται υπερένταση.
Η θερμοκρασία κατωφλίου κάτω από την οποία ένα υλικό μεταβαίνει σε κατάσταση υπεραγωγού ορίζεται ως Tc , που σημαίνει κρίσιμη θερμοκρασία. Δεν μετατρέπονται όλα τα υλικά σε υπεραγωγούς και τα υλικά που κάνουν το καθένα έχουν τη δική τους αξία Tc .
Τύποι υπεραγωγών
- Υπεραγωγοί τύπου Ι λειτουργούν ως αγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά όταν ψύχονται κάτω από Tc , η μοριακή κίνηση μέσα στο υλικό μειώνεται αρκετά ώστε η ροή του ρεύματος να μπορεί να κινείται ανεμπόδιστα.
- Οι υπεραγωγοί τύπου 2 δεν είναι ιδιαίτερα καλοί αγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου, η μετάβαση σε κατάσταση υπεραγωγού είναι πιο σταδιακή από τους υπεραγωγούς Τύπου 1. Ο μηχανισμός και η φυσική βάση για αυτήν την αλλαγή κατάστασης δεν είναι, προς το παρόν, πλήρως κατανοητοί. Οι υπεραγωγοί τύπου 2 είναι συνήθως μεταλλικές ενώσεις και κράματα.
Ανακάλυψη του Υπεραγωγού
Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1911 όταν ο υδράργυρος ψύχθηκε σε περίπου 4 βαθμούς Kelvin από τον Ολλανδό φυσικό Heike Kamerlingh Onnes, γεγονός που του χάρισε το Νόμπελ Φυσικής το 1913. Στα χρόνια που πέρασαν, αυτό το πεδίο έχει επεκταθεί πολύ και πολλές άλλες μορφές υπεραγωγών έχουν ανακαλυφθεί, συμπεριλαμβανομένων των υπεραγωγών Τύπου 2 τη δεκαετία του 1930.
Η βασική θεωρία της υπεραγωγιμότητας, η Θεωρία BCS, κέρδισε στους επιστήμονες – τους John Bardeen, Leon Cooper και John Schrieffer – το Νόμπελ Φυσικής το 1972. Ένα μέρος του βραβείου Νόμπελ φυσικής του 1973 πήγε στον Brian Josephson, επίσης για εργασία με την υπεραγωγιμότητα.
Τον Ιανουάριο του 1986, ο Karl Muller και ο Johannes Bednorz έκαναν μια ανακάλυψη που έφερε επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες σκέφτονταν τους υπεραγωγούς. Πριν από αυτό το σημείο, η κατανόηση ήταν ότι η υπεραγωγιμότητα εκδηλώνεται μόνο όταν ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, αλλά χρησιμοποιώντας ένα οξείδιο βαρίου, λανθανίου και χαλκού, διαπίστωσαν ότι έγινε υπεραγωγός στους περίπου 40 βαθμούς Κέλβιν. Αυτό ξεκίνησε έναν αγώνα για την ανακάλυψη υλικών που λειτουργούσαν ως υπεραγωγοί σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες.
Τις δεκαετίες από τότε, οι υψηλότερες θερμοκρασίες που είχαν επιτευχθεί ήταν περίπου 133 βαθμοί Κέλβιν (αν και θα μπορούσατε να φτάσετε έως και 164 βαθμούς Κέλβιν αν ασκούσατε υψηλή πίεση). Τον Αύγουστο του 2015, μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature ανέφερε την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασία 203 βαθμών Κέλβιν όταν βρίσκεται υπό υψηλή πίεση.
Εφαρμογές Υπεραγωγών
Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, αλλά κυρίως στη δομή του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Οι σήραγγες που περιέχουν τις δέσμες φορτισμένων σωματιδίων περιβάλλονται από σωλήνες που περιέχουν ισχυρούς υπεραγωγούς. Τα υπερρεύματα που ρέουν μέσω των υπεραγωγών δημιουργούν ένα έντονο μαγνητικό πεδίο, μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιταχύνει και να κατευθύνει την ομάδα όπως επιθυμείτε.
Επιπλέον, οι υπεραγωγοί εμφανίζουν το φαινόμενο Meissner στο οποίο ακυρώνουν όλη τη μαγνητική ροή μέσα στο υλικό, καθιστώντας τέλεια διαμαγνητικά (ανακαλύφθηκε το 1933). Σε αυτή την περίπτωση, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου ταξιδεύουν πραγματικά γύρω από τον ψυχρό υπεραγωγό. Είναι αυτή η ιδιότητα των υπεραγωγών που χρησιμοποιείται συχνά σε πειράματα μαγνητικής αιώρησης, όπως το κβαντικό κλείδωμα που παρατηρείται στην κβαντική αιώρηση. Με άλλα λόγια, εάν Επιστροφή στο Μέλλον τα στυλ hoverboards γίνονται ποτέ πραγματικότητα. Σε μια λιγότερο συνηθισμένη εφαρμογή, οι υπεραγωγοί παίζουν ρόλο στις σύγχρονες εξελίξεις στα τρένα με μαγνητική αιώρηση, τα οποία παρέχουν μια ισχυρή δυνατότητα για δημόσιες μεταφορές υψηλής ταχύτητας που βασίζονται στην ηλεκτρική ενέργεια (η οποία μπορεί να παραχθεί με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας) σε αντίθεση με το μη ανανεώσιμο ρεύμα επιλογές όπως αεροπλάνα, αυτοκίνητα και τρένα που κινούνται με άνθρακα.
Επιμέλεια Anne Marie Helmenstine, Ph.D.
