A szupravezetők és szupravezető anyagok olyan fémek, kerámiák, szerves anyagok vagy erősen adalékolt félvezetők, amelyek ellenállás nélkül vezetik az elektromosságot.
A szupravezető anyagok ellenállás nélkül képesek az elektronokat szállítani, és így nem szabadul fel hő, hang vagy más energiaforma. A szupravezetés egy adott anyag kritikus hőmérsékleténél (Tc) lép fel. A hőmérséklet csökkenésével a szupravezető anyag ellenállása fokozatosan csökken, amíg el nem éri a kritikus hőmérsékletet. Ezen a ponton az ellenállás lecsökken, gyakran nullára, ahogy a jobb oldali grafikonon látható.
A szupravezetés eléréséhez jelenleg a legtöbb anyagnak alacsony hőmérsékleten és/vagy nagy nyomáson keresztül rendkívül alacsony energiaállapotot kell elérnie. Bár a magasabb hőmérsékleten is hatékony szupravezetők kutatása folyamatban van, a szupravezetés jellemzően csak drága, nem hatékony hűtési eljárásokkal lehetséges.
A szupravezetők az áram tökéletes vezetésének képességén kívül más egyedi tulajdonságokkal is rendelkeznek. Például sokuk a szupravezető állapotba való átmenet során mágneses mezőt bocsát ki. Ez a Meissner-effektusnak köszönhető, amelynek révén a szupravezető anyagok Tc-nél a felületük közelében elektromos áramokat hoznak létre, így kioltják az anyagon belüli mezőket. Egy szupravezetőn álló mágnes demonstrálja ezt a hatást: ahogy a szupravezető lehűl a kritikus hőmérsékleten, a mágneses fluxus kiáramlása a vezetőből a mágnes lebegését okozza az anyag felett.
A Meissner-effektus: egy szupravezető mágneses fluxusa a kritikus hőmérséklet felett (balra) és alatt.
Elvek
A szupravezető elvek különböző képletek vizsgálatával magyarázhatók. Először is, az ellenállás hiánya egy áramvezető szupravezetőben az Ohm-törvénnyel szemléltethető, R=V/I, ahol R az ellenállás, V a feszültség és I az áram. Mivel a szupravezető anyagok áramot vezetnek alkalmazott feszültség nélkül, R=0. A szupravezetés nem jár teljesítményveszteséggel sem, mivel a teljesítményt úgy határozzuk meg, hogy P=I2R; mivel R nulla egy szupravezető anyagban, a teljesítményveszteség nulla.
Ezeket a képleteket, valamint más szupravezető alapelveket az alábbi oktatóvideóban magyarázzuk el.
Video credit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Típusok
A szupravezetőket I. típusú és II. típusú anyagokra osztják.
Az I. típusú anyagok környezeti hőmérsékleten legalább némi vezetőképességet mutatnak, és többnyire tiszta fémeket és metalloidokat tartalmaznak. Alacsony kritikus hőmérsékletük van, jellemzően 0 és 10 K között (-273°C, illetve -263°C). Mint fentebb tárgyaltuk, ez a típus a kritikus hőmérsékleten hirtelen ellenálláscsökkenést, valamint a mágneses mezők teljes kiűzését (tökéletesen diamágneses) tapasztalja.
Az I. típusú fémek a szupravezetést a molekuláris aktivitás alacsony hőmérsékleten keresztül történő lelassításával érik el. A BCS-elmélet szerint ez olyan környezetet teremt, amely kedvez a Cooper-párosodásnak, így az elektronpárok képesek legyőzni a molekuláris akadályokat, ami szabad elektronáramláshoz vezet alkalmazott feszültség nélkül.
A réz, az ezüst és az arany a három legjobb fémvezető, de nem szupravezető. Ennek oka az arccal centrált köbös (FCC) egységcellás rácsszerkezetük, amely olyan szorosan tömörített, hogy a szupravezetéshez nélkülözhetetlen alacsony hőmérsékletű rácsrezgések nem képesek a szabad elektronokat Cooper-párokká kényszeríteni. Bár néhány FCC-fém, például az ólom képes a szupravezetésre, ez olyan külső tényezőknek köszönhető, mint az ólom alacsony rugalmassági modulusa.
A legtöbb II. típusú anyag fémes vegyület vagy ötvözet, bár az elemi vanádium, a technécium és a nióbium is ebbe a csoportba tartozik. Ezek sokkal magasabb kritikus hőmérsékleten képesek szupravezetésre. Például az Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ 2015-ös vizsgálata 400 K (+129°C) Tc-t eredményezett, ami több mint 100°C-kal magasabb a környezeti hőmérsékletnél, bár a gyakoribb II. típusú anyagok kritikus hőmérséklete 10-130 K között van. 2015-ig nincs tudományos konszenzus e magasabb kritikus hőmérsékletek okát illetően.
A II. típusú anyagok a kritikus hőmérsékletükhöz közeledve vegyes állapotot is felvesznek, ami ellentétben áll az I. típusú anyagok Tc-nél tapasztalt meredek ellenállásával. A vegyes állapotokat az okozza, hogy a II. típusú szupravezetők sosem űzik ki teljesen a mágneses tereket, így mikroszkopikus szupravezető “csíkok” láthatók az anyagon.
Egyéb osztályozások
A fenti típusok szerinti osztályozás elméletileg a mágneses mező viselkedése alapján történik. Az I. típusú anyagoknak egyetlen kritikus mezőhőmérséklete van, amely felett a szupravezetés teljesen megszűnik, míg a II. típusú anyagoknak két kritikus mezőpontjuk van, amelyek között vegyes állapot létezhet. A szupravezetők osztályozásának másik módszere a hőmérséklet alapján történik, ahol az “alacsony hőmérsékletű” anyagok a folyékony nitrogénnel hűtött szupravezetés alá, a “magas hőmérsékletűek” pedig fölé esnek. Az alacsony hőmérsékletű anyagokat folyékony gázokkal, például neonnal, hidrogénnel és héliummal lehet hűteni.
A szupravezető anyagok kritikus hőmérsékletének átfogó listája itt található az I. típusra és itt a II. típusra vonatkozóan.
A lenti grafikon szemlélteti ezt a megkülönböztetést, valamint a kritikus hőmérséklet felfedezésének történetét bemutató idővonal. A folyékony nitrogén forráspontja (kb. 77 K) fölé eső kritikus hőmérsékletű anyagokat magas hőmérsékletű anyagoknak nevezzük. A grafikon közepén látható drámai Tc-növekedés a szupravezető kuprátok és a magas Tc-vel rendelkező perovszkitok 1986-os és 1987-es felfedezésének eredménye.
Termékformák
A szupravezetők és szupravezető anyagok szállítói különböző formájú termékeket kínálnak, amelyek közül néhányat az alábbiakban felsorolunk.
A nyers szupravezető anyagok közé tartoznak a por vagy kristály formájában lévő kémiai vegyületek. A szupravezető port beépítik a hatékonyabb üzemanyagcellák, gázelválasztó membránok és lítium-ion akkumulátorok gyártásába.
Mágneseket gyártanak az alább tárgyalt MAGLEV és MRI alkalmazásokhoz, valamint a mikroszkópiához és az NMR/EPR spektroszkópiához.
A szupravezető vezetékeket és kábeleket a szupravezető energiaátvitelben és az ultranagy mágneses terekben végzett tudományos kutatásokban használják.
A szupravezetők gyártói specializálódhatnak egy bizonyos szupravezető vegyület továbbfejlesztésére, mint például a niobium alapú képletek vagy a magnézium-diborid (MgB2).
Alkalmazások
A szupravezetők a szupravezető állapotok eléréséhez szükséges kiterjedt hűtés miatt nem állnak rendelkezésre széles kereskedelmi méretekben. Néhány speciális alkalmazásban elterjedtek, többek között:
MAGLEV vonatok szupravezető mágneseket használnak, hogy gyakorlatilag megszüntessék a súrlódást a vonat és a sínek között. A hagyományos elektromágnesek használata hatalmas mennyiségű energiát pazarolna el a hőveszteségen keresztül, és nehézkes mágnes használatát tenné szükségessé, míg a szupravezetők kiváló hatékonyságot és kisebb mágneseket eredményeznek.
A mágneses rezonancia képalkotás (MRI) szupravezetők által generált mágneses tereket használ az emberi testben lévő hidrogénatomokkal és zsírmolekulákkal való kölcsönhatásra. Ezek az atomok és molekulák ezután energiát bocsátanak ki, amelyet érzékelnek és grafikus képpé alakítanak. Az MRI széles körben használt radiográfiai módszer az orvosi diagnosztikában vagy a betegségek, például a rák stádiumának megállapításában.
A szupravezető vezetékkel épített elektromos generátorok 99%-os hatásfokot értek el a kísérleti tesztekben, de kereskedelmi forgalomba még nem kerültek.
A szupravezető kábeleket és transzformátorokat használó elektromos áram előállítását kísérletileg tesztelték és bemutatták.
Normák
Változatos közzétett szabványok és kézikönyvek foglalkoznak a szupravezetéssel és a szupravezetőkkel. Például:
- BS EN 61788-Szupravezetés (sorozat)
- IET-Electrodynamic theory of superconductors
- Wiley-High temperature semiconductor bulk materials
.