Свръхпроводници — какво е свръхпроводимост, свойства и примери

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.

Основни свойства

• Нулево електрическо съпротивление — при температури под критичната (Tc) материалът провежда ток без загуби от съпротивление.
• Ефект на Майснер — пълно изгонване на магнитното поле от обема на свръхпроводника (различно от идеален проводник, който би „замразил“ вътрешното поле при охлаждане).
• Критична температура (Tc) — температурата под която възниква свръхпроводимостта; за различните материали тя е различна.
• Критично магнитно поле (Hc) — полето, при което свръхпроводимостта се разрушава. За тип II материали има две критични полета Hc1 и Hc2, при които се появява и после се унищожава зоната на вмъкнати магнитни вихри (вихри на Флоренц).
• Критична гъстота на тока (Jc) — максималният ток, който материалът може да пропусне без да загуби свръхпроводимите си свойства.
• Прониквателна дълбочина и кохерентна дължина — характеристви, описващи как дълбоко навлиза магнитното поле и колко „кохерентни“ са свръхпроводящите купове (Cooper двойки) в материала.
• Квантоване на магнитния поток — магнитният поток през въртящ или затворен свръхпроводящ кръг е кратен на основна квантова единица.

Типове свръхпроводници и механизми

• Тип I — обикновено чисти метали (напр. живак, олово) с остър преход между нормално и свръхпроводящо състояние и едно критично поле.
• Тип II — по-често срещани при технологично важни материали (напр. NbTi, керамични купрати). Те допускат магнитни вихри между Hc1 и Hc2 и могат да поддържат по-големи полета и токове.
• BCS механизъм — в много традиционни свръхпроводници електроните се сдвояват в т.нар. Cooper двойки чрез взаимодействие чрез фонони (вibrации на решетката), което позволява безсъпротивително движение.
• Нестандартни механизми — при високотемпературните свръхпроводници (купрати, железо-съдържащи) и органичните материали все още няма окончателно общоприето обяснение и се разглеждат силни електронни взаимодействия и други механизми.

Примери и приложения

• Медицински апарати: магнитно-резонансна томография (MRI) използва мощни свръхпроводящи магнити за образната диагностика.
• Транспорт: демонстрации с магнитна левитация (maglev) — влакове, плъзгащи се без триене; практическите системи изискват решаване на технологични и икономически проблеми.
• Наука и индустрия: големи ускорители на частици (напр. LHC) и криогенни магнити използват свръхпроводници (NbTi, Nb3Sn).
• Електроразпределение: свръхпроводящи кабели, трансформатори и устройства за ограничаване на тока (fault current limiters) намаляват загубите и повишават ефективността.
• Електроника и сензори: SQUID-ове (свръхпроводящи квантови интерферометри) са изключително чувствителни магнитни сензори. Свръхпроводящи джозефсонови връзки са основа на квантови битове (кубити) в някои архитектури на квантови компютри.
• Демонстрации и образование: левитиращи свръхпроводници показват ефекта на Майснер и са популярни в лаборатории и изложби.

Проблеми и предизвикателства

• Необходимост от охлаждане — много свръхпроводници работят при температури близки до абсолютната нула и изискват скъпо охлаждане (течен хелий). Някои „високотемпературни“ свръхпроводници работят при температура на течен азот (~77 K), което е по-евтино, но все още изисква охлаждащи системи.
• Механична крехкост и производство — много материали (особено керамичните купрати) са крехки и трудно се обработват за практическо използване в кабели или намотки.
• Зърненост и граници — границите между кристалните зърна могат да ограничат критичната гъстота на тока.

Съвременни изследвания

Активно се търсят материали със все по-високи критични температури и по-удобни за използване свойства. В последните години се съобщава за свръхпроводимост при много високи температури в метал-хидриди под много високо налягане, но тези системи работят при екстремни условия и все още не са приложими в практиката при нормално налягане. Други насоки за изследване включват усъвършенстване на производствените технологии, дизайн на многожилни проводници и интегриране в енергийни мрежи и квантови устройства.

Исторически първият открит свръхпроводник е живак (за което е известен опитът на Heike Kamerlingh Onnes през 1911 г.), а след това учените са открили голямо разнообразие от метали, сплави, оксиди и органични съединения със свръхпроводящи свойства.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява свръхпроводникът?

В: По какво се различава свръхпроводникът от обикновения проводник?

В: Кои са някои примери за свръхпроводници?

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

Въпрос: Какво представлява ефектът на Майснер?

Въпрос: Високото магнитно поле разрушава или засилва свръхпроводимостта?

Търсене по буква