Nadprzewodnik jest pierwiastkiem lub stopem metalicznym, który po schłodzeniu poniżej określonej temperatury progowej materiał dramatycznie traci wszelki opór elektryczny. Zasadniczo nadprzewodniki mogą na to pozwolić prąd elektryczny płynąć bez strat energii (chociaż w praktyce idealny nadprzewodnik jest bardzo trudny do wytworzenia). Ten rodzaj prądu nazywa się nadprądem.
Temperaturę progową, poniżej której materiał przechodzi w stan nadprzewodnika, określa się jako T.do, co oznacza temperaturę krytyczną. Nie wszystkie materiały zamieniają się w nadprzewodniki, a materiały, z których każdy ma swoją własną wartość T.do.
Rodzaje nadprzewodników
- Nadprzewodniki typu I. działają jak przewodniki w temperaturze pokojowej, ale po schłodzeniu poniżej T.do, ruch molekularny w materiale zmniejsza się na tyle, że przepływ prądu może przebiegać bez przeszkód.
- Nadprzewodniki typu 2 nie są szczególnie dobrymi przewodnikami w temperaturze pokojowej, przejście do stanu nadprzewodników jest bardziej stopniowe niż nadprzewodników typu 1. Mechanizm i fizyczne podstawy tej zmiany stanu nie są obecnie w pełni zrozumiałe. Nadprzewodniki typu 2 to zazwyczaj związki i stopy metali.
Odkrycie nadprzewodnika
Nadprzewodnictwo odkrył po raz pierwszy w 1911 roku, kiedy rtęć schłodziła się do około 4 stopni Kelvina przez holenderskiego fizyka Heike Kamerlingha Onnesa, który przyniósł mu Nagrodę Nobla z fizyki w 1913 roku. Przez lata pole to znacznie się rozszerzyło i odkryto wiele innych form nadprzewodników, w tym nadprzewodniki typu 2 w latach 30. XX wieku.
Podstawowa teoria nadprzewodnictwa, teoria BCS, przyniosła naukowcom - Johnowi Bardeenowi, Leonowi Cooperowi i Johnowi Schriefferowi - Nagrodę Nobla z fizyki z 1972 roku. Część nagrody Nobla z fizyki z 1973 r. Trafiła do Briana Josephsona, również za pracę z nadprzewodnictwem.
W styczniu 1986 roku Karl Muller i Johannes Bednorz dokonali odkrycia, które zrewolucjonizowało sposób, w jaki naukowcy myślą o nadprzewodnikach. Przed tym punktem zrozumiano, że nadprzewodnictwo przejawia się dopiero po schłodzeniu do bliskiej odległości zero absolutne, ale używając tlenku baru, lantanu i miedzi odkryli, że stał się on nadprzewodnikiem o temperaturze około 40 stopni Kelvina. Zapoczątkowało to wyścig mający na celu odkrycie materiałów, które działały jako nadprzewodniki w znacznie wyższych temperaturach.
W ciągu dziesięcioleci najwyższe osiągnięte temperatury wynosiły około 133 stopni Kelvina (chociaż można uzyskać do 164 stopni Kelvina, jeśli zastosuje się wysokie ciśnienie). W sierpniu 2015 r. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature opisano odkrycie nadprzewodnictwa w temperaturze 203 stopni Kelvina pod wysokim ciśnieniem.
Zastosowania nadprzewodników
Nadprzewodniki są wykorzystywane w różnych aplikacjach, ale przede wszystkim w strukturze dużego zderzacza hadronów. Tunele zawierające wiązki naładowanych cząstek są otoczone rurkami zawierającymi potężne nadprzewodniki. Nadprądy przepływające przez nadprzewodniki wytwarzają intensywne pole magnetyczne Indukcja elektromagnetyczna, które można wykorzystać do przyspieszenia i kierowania zespołem według potrzeb.
Ponadto nadprzewodniki wykazują Efekt Meissnera w którym anulują cały strumień magnetyczny wewnątrz materiału, stając się doskonale diamagnetycznym (odkrytym w 1933 r.). W tym przypadku linie pola magnetycznego faktycznie przemieszczają się wokół chłodzonego nadprzewodnika. Jest to właściwość nadprzewodników, która jest często stosowana w eksperymentach lewitacji magnetycznej, takich jak blokada kwantowa obserwowana w lewitacji kwantowej. Innymi słowy, jeśli Powrót do przyszłości stylowe hoverboardy stają się rzeczywistością. W mniej przyziemnych zastosowaniach nadprzewodniki odgrywają rolę we współczesnych osiągnięciach pociągi lewitacji magnetycznej, które zapewniają potężną możliwość szybkiego transportu publicznego opartego na energii elektrycznej (co może być generowane przy użyciu energii odnawialnej) w przeciwieństwie do nieodnawialnych opcji prądowych, takich jak samoloty, samochody i zasilane węglem pociągi.
Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine