Superledere og superledende materialer er metaller, keramik, organiske materialer eller stærkt doterede halvledere, der leder elektricitet uden modstand.
Superledende materialer kan transportere elektroner uden modstand og afgiver derfor ingen varme, lyd eller andre energiformer. Supraledning opstår ved et bestemt materiales kritiske temperatur (Tc). Efterhånden som temperaturen falder, falder et superledende materiales modstand gradvist, indtil det når den kritiske temperatur. På dette punkt falder modstanden, ofte til nul, som vist i grafen til højre.
På nuværende tidspunkt skal de fleste materialer opnå en ekstremt lav energitilstand via lave temperaturer og/eller høje tryk for at opnå superledelse. Selv om forskningssuperledere, der er effektive ved højere temperaturer, er under udvikling, er superledning typisk kun mulig med dyre, ineffektive køleprocesser.
Superledere udviser andre unikke egenskaber end deres evne til at lede strøm perfekt. For eksempel udstøder mange magnetiske felter under overgangen til den superledende tilstand. Dette skyldes Meissner-effekten, hvormed superledende materialer opsætter elektriske strømme nær deres overflade ved Tc og dermed ophæver felterne i selve materialet. En stationær magnet på en superleder demonstrerer denne effekt: Når superlederen afkøles gennem sin kritiske temperatur, får uddrivelsen af magnetisk flux fra lederen magneten til at svæve over materialet.
Meissner-effekten: en superleders magnetiske flux over (til venstre) og under den kritiske temperatur.
Principper
Superlederprincipper kan forklares ved at undersøge forskellige formler. For det første kan manglende modstand i en strømførende superleder illustreres ved hjælp af Ohm’s lov, R=V/I, hvor R er modstand, V er spænding, og I er strøm. Da superledende materialer fører strøm uden påført spænding, er R=0. Superledning indebærer heller ikke strømtab, da strøm er defineret som P=I2R; da R er nul i et superledende materiale, er strømtabet nul.
Disse formler samt andre superlederprincipper forklares i den pædagogiske video nedenfor.
Video credit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Typer
Superledere klassificeres i type I- og type II-materialer.
Type I-materialer viser i det mindste en vis ledningsevne ved omgivelsestemperatur og omfatter for det meste rene metaller og metalloider. De har lave kritiske temperaturer, typisk mellem 0 og 10 K (henholdsvis -273 °C og -263 °C). Som omtalt ovenfor oplever denne type et pludseligt fald i modstand samt en fuldstændig udvisning af magnetiske felter (perfekt diamagnetisk) ved kritisk temperatur.
Type I-metaller opnår superledning ved at bremse den molekylære aktivitet via lave temperaturer. Ifølge BCS-teorien skaber dette et miljø, der fremmer Cooper-parring, således at elektronpar er i stand til at overvinde molekylære forhindringer, hvilket fører til fri elektronstrøm uden påført spænding.
Kobber, sølv og guld er tre af de bedste metalliske ledere, men er ikke superledende. Dette skyldes deres gitterstrukturer med facetcentrerede kubiske (FCC) enhedsceller (FCC), som er så tæt pakket, at de gittervibrationer ved lave temperaturer, der er afgørende for superledning, ikke formår at tvinge frie elektroner til Cooper-par. Mens nogle FCC-metaller som f.eks. bly er i stand til at være superledende, skyldes dette eksterne faktorer som f.eks. blyets lave elasticitetsmodul.
De fleste type II-materialer er metalforbindelser eller -legeringer, selv om elementært vanadium, technetium og niobium også falder inden for denne gruppe. De er i stand til at være superledende ved meget højere kritiske temperaturer. F.eks. gav afprøvningen i 2015 af Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ en Tc på 400 K (+129 °C), over 100 °C over omgivelsestemperaturen, selv om mere almindelige type II-materialer har kritiske temperaturer inden for intervallet 10-130 K. I 2015 er der ikke videnskabelig konsensus om årsagen til disse højere kritiske temperaturer.
Type II-materialer antager også en blandet tilstand, som står i kontrast til den styrtdykkende modstand ved Tc for Type I-materialer, når de nærmer sig deres kritiske temperatur. Blandede tilstande skyldes, at type II-superledere aldrig helt udviser magnetiske felter, således at der kan ses mikroskopiske superledende “striber” på materialet.
Andre klassifikationer
Klassifikation efter ovenstående typer sker teoretisk set ud fra magnetfeltets adfærd. Type I-materialer har en enkelt kritisk felttemperatur, over hvilken superledning ophører helt, mens type II-materialer har to kritiske feltpunkter, mellem hvilke der kan eksistere en blandet tilstand. En anden metode til klassificering af superledere er efter temperatur, idet “lavtemperaturmaterialer” ligger under den flydende kvælstofkølede superledning og “højtemperaturmaterialer” ligger over denne temperatur. Lavtemperaturmaterialer kan køles ved hjælp af flydende gasser som neon, brint og helium.
En omfattende liste over kritiske temperaturer for superledende materialer findes her for type I og her for type II.
Den nedenstående graf illustrerer denne skelnen samt en tidslinje, der viser historien om opdagelser af kritiske temperaturer. Materialer med kritiske temperaturer, der ligger over kogepunktet for flydende nitrogen (ca. 77 K), er kendt som højtemperaturmaterialer. Den dramatiske stigning i Tc, der ses i midten af grafen, er resultatet af opdagelsen af superledende cuprater og perovskitter med høj Tc i 1986 og 1987.
Produktformfaktorer
Leverandører af superledere og superledende materialer tilbyder produkter i forskellige former, hvoraf nogle er anført nedenfor.
Rå superledende materialer omfatter kemiske forbindelser i form af pulvere eller krystaller. Superledende pulver indgår i fremstillingen af mere effektive brændselsceller, gasseparationsmembraner og lithium-ion-batterier.
Magneter fremstilles til MAGLEV- og MRI-applikationer, som omtalt nedenfor, samt til mikroskopi og NMR/EPR-spektroskopi.
Tråd og kabel anvendes til superledende kraftoverførsel og videnskabelig forskning i ultrahøje magnetfelter.
Superlederproducenter kan specialisere sig i fremme af en bestemt superledende forbindelse, f.eks. niobiumbaserede formler eller magnesiumdiborid (MgB2).
Anvendelser
Superledere er ikke tilgængelige i stor kommerciel skala på grund af den omfattende afkøling, der er nødvendig for at nå superledende tilstande. De er almindelige i nogle få specialiserede anvendelser, herunder:
MAGLEV-tog anvender superledende magneter til praktisk talt at fjerne friktionen mellem toget og skinnerne. Brugen af konventionelle elektromagneter ville spilde store mængder energi via varmetab og kræve brug af en uhåndterlig magnet, mens superledere resulterer i overlegen effektivitet og mindre magneter.
Magnetisk resonansafbildning (MRI) bruger superledergenererede magnetfelter til at interagere med hydrogenatomer og fedtmolekyler i menneskekroppen. Disse atomer og molekyler frigiver derefter energi, som registreres og dannes til et grafisk billede. MRI er en meget anvendt radiografisk metode til medicinsk diagnose eller stadieinddeling af sygdomme som f.eks. kræft.
Elektriske generatorer bygget med superledende tråd har opnået en effektivitet på 99 % i eksperimentelle test, men er endnu ikke blevet bygget kommercielt.
Elektrisk elproduktion ved hjælp af superledende kabler og transformatorer er blevet eksperimentelt afprøvet og demonstreret.
Standarder
Flere offentliggjorte standarder og håndbøger omhandler superledelse og superledere. Eksempler herpå er:
- BS EN 61788-Superledning (serie)
- IET-Elektrodynamisk teori om superledere
- Wiley-High temperature semiconductor bulk materials