Свръхпроводник | вещество, което провежда електричество без съпротивление

Свръхпроводник е вещество, което провежда електричество без съпротивление, когато стане по-студено от "критична температура". При тази температура електроните могат да се движат свободно през материала. Свръхпроводниците се различават от обикновените проводници, като например медта. Обикновените проводници губят съпротивлението си (стават по-проводими) бавно, когато станат по-студени. За разлика от тях свръхпроводниците губят съпротивлението си наведнъж. Това е пример за фазов преход. Високите магнитни полета разрушават свръхпроводимостта и възстановяват нормалното състояние на проводимост. Някои примери за свръхпроводници са металите живак и олово, керамиката и органичните въглеродни нанотръбички.

Обикновено магнит, движещ се покрай проводник, предизвиква токове в проводника чрез електромагнитна индукция. Но един свръхпроводник всъщност изтласква изцяло магнитните полета, като индуцира повърхностни токове. Вместо да пропуска магнитното поле, свръхпроводникът действа като магнит, насочен в обратна посока, който отблъсква истинския магнит. Това се нарича ефект на Майснер и може да се демонстрира чрез левитиране на свръхпроводник над магнити или обратното.




  Магнит, левитиращ над високотемпературен свръхпроводник, охлаждан с течен азот. По повърхността на свръхпроводника протича постоянен електрически ток. Това изключва магнитното поле на магнита (закон на Фарадей за индукцията). Всъщност токът образува електромагнит, който отблъсква магнита  Zoom
Магнит, левитиращ над високотемпературен свръхпроводник, охлаждан с течен азот. По повърхността на свръхпроводника протича постоянен електрически ток. Това изключва магнитното поле на магнита (закон на Фарадей за индукцията). Всъщност токът образува електромагнит, който отблъсква магнита  

Обяснение

Физиците обясняват свръхпроводимостта, като описват какво се случва, когато температурите станат ниски. Топлинната енергия в твърдо тяло или течност разклаща атомите, така че те вибрират на случаен принцип, но с понижаването на температурата това става все по-малко. Електроните носят един и същ отрицателен електрически заряд, поради което се отблъскват един от друг. При по-високи температури всеки електрон се държи така, сякаш е свободна частица. Съществува обаче и много слабо привличане между електроните, когато те са в твърдо тяло или течност. При доста големи разстояния ( много стотици нанометри разстояние един от друг) и ниски температури (близки до абсолютната нула) привличащият ефект и липсата на топлинна енергия позволяват на двойките електрони да се държат заедно. Тази двойка се нарича кооперативна двойка и е квазичастица , т.е. действа като нов вид самостоятелна частица, въпреки че е съставена от два основни електрона. В едно и също пространство с размер на нанометър могат да съществуват много припокриващи се двойки. Тъй като сдвоените електрони представляват бозон, движенията на всички двойки купери в един свръхпроводник се синхронизират и те функционират така, сякаш са едно цяло. В това състояние са забранени малки смущения, като например разсейване на електрони, и то се движи като едно цяло, без да оказва съпротивление на движението си. Следователно това вече е свръхпроводник.


 

История на свръхпроводниците

1911

свръхпроводимост, открита от Хайке Камерлинг Онс

1933

ефектът на Майснер, открит от Валтер Майснер и Робърт Оксенфелд

1957

теоретично обяснение на свръхпроводимостта, представено от Джон Бардън, Леон Купър и Джон Шрайфър (теория BCS)

1962

тунелирането на свръхпроводящи Куперови двойки през изолационна бариера

1986

Алекс Мюлер и Георг Беднорц откриват керамичен свръхпроводник. Керамиката обикновено е изолатор. Съединение на лантан, барий, мед и кислород с критична температура 30 K. Открива възможности за нови свръхпроводници.

2020

Открит е свръхпроводник, който функционира при стайна температура


 

Приложения

  • Свръхпроводящо квантово интерференчно устройство (SQUID)
  • Ускорители на частици
  • Ускорители на малки частици в здравеопазването
  • Левитиращи влакове
  • Ядрен синтез
  • МРТ скенер
  • И т.н.


 

Въпроси и отговори

В: Какво представлява свръхпроводникът?


О: Свръхпроводник е вещество, което провежда електричество без съпротивление, когато стане по-студено от "критична температура". При тази температура електроните могат да се движат свободно през материала.

В: По какво се различава свръхпроводникът от обикновения проводник?


О: Обикновените проводници губят съпротивлението си (стават по-проводими) бавно, когато станат по-студени. За разлика от тях свръхпроводниците губят съпротивлението си наведнъж. Това е пример за фазов преход.

В: Кои са някои примери за свръхпроводници?


О: Някои примери за свръхпроводници са металите живак и олово, керамиката и органичните въглеродни нанотръбички.

Въпрос: Как влияе на магнит, който се движи покрай проводник?


О: Обикновено магнит, който се движи покрай проводник, предизвиква токове в проводника чрез електромагнитна индукция. Но един свръхпроводник всъщност изтласква изцяло магнитните полета, като индуцира повърхностни токове.

Въпрос: Какво представлява ефектът на Майснер?


О: Ефектът на Майснер се проявява, когато вместо да пропусне магнитното поле, свръхпроводникът действа като магнит, насочен в обратна посока, който отблъсква истинския магнит. Това може да се демонстрира чрез левитиране на свръхпроводник над магнити или обратното.

Въпрос: Високото магнитно поле разрушава или засилва свръхпроводимостта?


О: Високите магнитни полета разрушават свръхпроводимостта и възстановяват нормалното проводящо състояние.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3