Știința simplificată: Ce este superconductivitatea?

Pe

Un cub de material magnetic levitează deasupra unui supraconductor. Câmpul magnetului induce curenți în supraconductor care generează un câmp egal și opus, echilibrând exact forța gravitațională pe cub. Credit: imagine, prin amabilitatea Laboratorului Național Oak Ridge

În ceea ce majoritatea oamenilor consideră temperaturi „normale”, toate materialele au o anumită rezistență electrică. Aceasta înseamnă că rezistă fluxului de electricitate în același mod în care o conductă îngustă rezistă fluxului de apă. Datorită rezistenței, o anumită energie se pierde ca căldură atunci când electronii se deplasează prin electronica dispozitivelor noastre, cum ar fi computerele sau telefoanele mobile. Pentru majoritatea materialelor, această rezistență este menținută chiar dacă materialul este răcit la temperaturi foarte scăzute. Excepțiile sunt materialele supraconductoare. Superconductivitatea este proprietatea anumitor materiale de a conduce electricitatea cu curent continuu (DC) fără pierderi de energie atunci când este răcită sub temperatura critică (cunoscută sub numele de T).c). Aceste materiale expulzează și câmpurile magnetice atunci când trec în starea supraconductoare.

Superconductivitatea este unul dintre cele mai interesante fenomene cuantice din natură. A fost descoperit acum mai bine de 100 de ani în mercur răcit la temperatura heliului lichid (aproximativ -452 ° F, doar cu câteva grade mai sus). zero absolut). La început, oamenii de știință ar putea explica ce s-a întâmplat în superconductivitate, dar de ce și cum a superconductivității au fost un mister de aproape 50 de ani.

În 1957, trei fizicieni de la Universitatea din Illinois au folosit mecanica cuantică pentru a explica mecanismul microscopic al supraconductivității. Ei au propus o teorie radical nouă despre modul în care electronii încărcați negativ, care sunt respinși în mod normal, se formează în perechi sub Tc. Acești electroni împerecheați sunt ținuți împreună de vibrații la nivel atomic cunoscute sub numele de fononi, iar împreună perechile se pot deplasa prin material fără rezistență. Pentru descoperirea lor, acești oameni de știință au primit Premiul Nobel pentru fizică în 1972.

După descoperirea supraconductivității în mercur, fenomenul a fost observat și în alte materiale la temperaturi foarte scăzute. Materialele au inclus mai multe metale și unul aliaj de niobiu și titan care ar putea fi ușor transformat în sârmă. Cablurile au reprezentat o nouă provocare pentru cercetarea supraconductorilor. Lipsa rezistenței electrice a cablurilor supraconductoare înseamnă că pot rezista la curenți electrici foarte mari, dar deasupra unui „curent critic” perechile de electroni se rup și supraconductivitatea este distrusă. Din punct de vedere tehnologic, cablurile au deschis noi utilizări pentru supraconductori, inclusiv bobine înfășurate pentru a crea magneți puternici. În anii 1970, oamenii de știință au folosit magneți supraconductori pentru a genera câmpuri magnetice ridicate necesare dezvoltării mașinilor de imagistică prin rezonanță magnetică (RMN). Mai recent, oamenii de știință au introdus magneți supraconductori pentru a ghida fasciculele de electroni din sincrotroni și acceleratori către facilitățile științifice ale utilizatorilor.

În 1986, oamenii de știință au descoperit o nouă clasă de materiale cu oxid de cupru care prezentau supraconductivitate, dar la temperaturi mult mai ridicate decât metalele și aliajele metalice de la începutul secolului. Aceste materiale sunt cunoscute sub numele de supraconductori de temperatură înaltă. Deși trebuie încă răcite, acestea sunt supraconductoare la temperaturi mult mai calde, unele dintre ele la temperaturi peste azot lichid (-321 ° F). Această descoperire a avut promisiunea unor noi tehnologii revoluționare. El a sugerat, de asemenea, că oamenii de știință ar putea găsi materiale care sunt supraconductoare la sau aproape de temperatura camerei.

De atunci, multe materiale superconductoare noi la temperatură înaltă au fost descoperite folosind ipoteze politicoase combinate cu experimente de încercare și eroare, inclusiv o clasă de materiale pe bază de fier. Cu toate acestea, a devenit evident, de asemenea, că teoria microscopică care descrie superconductivitatea în metale și aliaje nu se aplică majorității acestor materiale noi, astfel încât, din nou, misterul supraconductivității provoacă comunitatea științifică. Experimente recente pe materiale pe bază de hidrogen la presiune extrem de ridicată au confirmat o predicție teoretică a superconductivității la temperaturi apropiate de temperatura camerei.

Fapte de supraconductivitate

  • Superconductivitatea a fost descoperită în 1911 de Heike Kamerlingh-Onnes. Pentru această descoperire, lichefierea heliului și alte realizări, el a câștigat Premiul Nobel pentru fizică din 1913.
  • Au fost acordate cinci premii Nobel pentru fizică pentru cercetarea supraconductivității (1913, 1972, 1973, 1987 și 2003).
  • Aproximativ jumătate din elementele din tabelul periodic prezintă supraconductivitate la temperaturi scăzute, dar aplicațiile de supraconductivitate folosesc adesea aliaje mai ușor de utilizat sau mai puțin costisitoare. De exemplu, mașinile RMN utilizează un aliaj de niobiu și titan.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Răcire radiantă și încălzire solară de către un sistem – Nu este necesară electricitate

Sistemul a scăzut temperatura în interiorul unui sistem de testare într-un mediu exterior sub lumina directă a soarelui cu peste 12 grade Celsius (22...

Moarte animală falsă pentru perioade lungi de timp pentru a scăpa de prădători

Antilopul european (Euroleon nostras) pe partea sa dorsală, jucând mort. Credit: profesorul Nigel R. Franks, Universitatea din Bristol Multe animale își bat joc de...

Perseverance Rover al NASA conduce pentru prima dată pe Pământ

Această imagine a fost făcută pe 4 martie 2021 pe primul disc al vehiculului Perseverance al NASA. Credit: NASA / JPL-Caltech Prima rută a...

A fost descoperită o mașină de ucis veche de 260 de milioane de ani

Recuperarea vie a Anteosaurului atacă Moshognathusul erbivor. Credit: Alex Bernardini (@SimplexPaleo) Anteosaurul sălbatic în vârstă de 260 de milioane de ani, considerat anterior a...

Fizicienii particulelor rezolvă o problemă care îi „bântuie” de mai bine de 20 de ani

Ilustrația urmărește traseul fasciculului pe măsură ce trece prin quadrupolul de radiofrecvență de cupru, magnetul dipol negru și sistemul de măsurare fisurat și către...

Newsletter

Subscribe to stay updated.