Nadprzewodniki i materiały nadprzewodzące to metale, ceramika, materiały organiczne lub silnie domieszkowane półprzewodniki, które przewodzą prąd elektryczny bez oporu.
Materiały nadprzewodzące mogą transportować elektrony bez oporu, a zatem nie wydzielają ciepła, dźwięku ani innych form energii. Nadprzewodnictwo występuje w temperaturze krytycznej (Tc) danego materiału. Wraz ze spadkiem temperatury opór materiału nadprzewodzącego stopniowo maleje, aż do osiągnięcia temperatury krytycznej. W tym momencie opór spada, często do zera, jak pokazano na wykresie po prawej stronie.
W chwili obecnej większość materiałów musi osiągnąć ekstremalnie niski stan energetyczny poprzez niskie temperatury i/lub wysokie ciśnienia, aby uzyskać nadprzewodnictwo. Podczas gdy nadprzewodniki badawcze, które są skuteczne w wyższych temperaturach są w trakcie rozwoju, nadprzewodnictwo jest zazwyczaj możliwe tylko dzięki drogim, nieefektywnym procesom chłodzenia.
Nadprzewodniki wykazują unikalne cechy inne niż ich zdolność do doskonałego przewodzenia prądu. Na przykład, wiele z nich wyrzuca pola magnetyczne podczas przejścia do stanu nadprzewodnictwa. Dzieje się tak z powodu efektu Meissnera, w którym materiały nadprzewodzące wytwarzają prądy elektryczne w pobliżu ich powierzchni w temperaturze Tc, anulując w ten sposób pola wewnątrz samego materiału. Stacjonarny magnes na nadprzewodniku demonstruje ten efekt: gdy nadprzewodnik stygnie w temperaturze krytycznej, wyrzucenie strumienia magnetycznego z przewodnika powoduje, że magnes lewituje ponad materiałem.
Efekt Meissnera: strumień magnetyczny nadprzewodnika powyżej (po lewej) i poniżej temperatury krytycznej.
Zasady
Zasady działania nadprzewodników można wyjaśnić, analizując różne wzory. Po pierwsze, brak oporu w nadprzewodniku przewodzącym prąd może być zilustrowany prawem Ohma, R=V/I, gdzie R to opór, V to napięcie, a I to prąd. Ponieważ materiały nadprzewodzące przewodzą prąd bez przyłożonego napięcia, R=0. Nadprzewodnictwo nie wiąże się również ze stratami mocy, ponieważ moc definiuje się jako P=I2R; ponieważ R jest równe zero w materiale nadprzewodzącym, straty mocy są równe zero.
Te wzory, wraz z innymi zasadami dotyczącymi nadprzewodników, są wyjaśnione w poniższym filmie edukacyjnym.
Video credit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Typy
Nadprzewodniki klasyfikuje się na materiały typu I i typu II.
Materiały typu I wykazują przynajmniej pewne przewodnictwo w temperaturze otoczenia i obejmują głównie czyste metale i metaloidy. Mają one niskie temperatury krytyczne, zwykle między 0 a 10 K (odpowiednio -273°C i -263°C). Jak omówiono powyżej, ten typ doświadcza nagłego spadku oporu, jak również całkowitego wyrzucenia pól magnetycznych (doskonale diamagnetyczny) w temperaturze krytycznej.
Metale typu I osiągają nadprzewodnictwo poprzez spowolnienie aktywności molekularnej poprzez niskie temperatury. Zgodnie z teorią BCS, tworzy to środowisko sprzyjające parowaniu Coopera, tak że pary elektronowe są w stanie pokonać przeszkody molekularne, co prowadzi do swobodnego przepływu elektronów bez przyłożonego napięcia.
Miedź, srebro i złoto są trzema z najlepszych przewodników metalicznych, ale nie są nadprzewodzące. Wynika to z ich struktur sieciowych komórek jednostkowych face-centered cubic (FCC), które są tak ciasno upakowane, że niskotemperaturowe wibracje sieciowe istotne dla nadprzewodnictwa nie zdołają zebrać wolnych elektronów w pary Coopera. Podczas gdy niektóre metale FCC, takie jak ołów, są zdolne do nadprzewodnictwa, jest to spowodowane czynnikami zewnętrznymi, takimi jak niski moduł sprężystości ołowiu.
Większość materiałów typu II to związki metaliczne lub stopy, chociaż elementarny wanad, technet i niob również mieszczą się w tej grupie. Są one zdolne do nadprzewodnictwa w znacznie wyższych temperaturach krytycznych. Przykładowo, przeprowadzone w 2015 roku testy Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ dały wynik Tc równy 400 K (+129°C), ponad 100°C powyżej temperatury otoczenia, choć bardziej powszechne materiały typu II mają temperatury krytyczne w zakresie 10-130 K. Na rok 2015 nie ma naukowego konsensusu co do przyczyny tych wyższych temperatur krytycznych.
Materiały typu II przybierają również stan mieszany, który kontrastuje z oporem pogrążającym się w Tc dla materiałów typu I, podczas zbliżania się do ich temperatury krytycznej. Stany mieszane są spowodowane tym, że nadprzewodniki typu II nigdy całkowicie nie pozbywają się pola magnetycznego, tak więc mikroskopijne nadprzewodzące „paski” mogą być widoczne na materiale.
Inne klasyfikacje
Klasyfikacja według powyższych typów jest teoretycznie dokonywana na podstawie zachowania w polu magnetycznym. Materiały typu I mają jedną krytyczną temperaturę pola, powyżej której nadprzewodnictwo całkowicie ustaje, podczas gdy materiały typu II mają dwa krytyczne punkty pola, pomiędzy którymi może istnieć stan mieszany. Inną metodą klasyfikacji nadprzewodników jest klasyfikacja według temperatury, gdzie materiały „niskotemperaturowe” znajdują się poniżej nadprzewodnictwa chłodzonego ciekłym azotem, a „wysokotemperaturowe” powyżej. Materiały niskotemperaturowe mogą być chłodzone przy użyciu ciekłych gazów takich jak neon, wodór i hel.
Wyczerpującą listę temperatur krytycznych dla materiałów nadprzewodzących można znaleźć tutaj dla Typu I i tutaj dla Typu II.
Poniższy wykres ilustruje to rozróżnienie, jak również oś czasu pokazującą historię odkryć temperatur krytycznych. Materiały o temperaturach krytycznych przekraczających punkt wrzenia ciekłego azotu (około 77 K) są znane jako materiały wysokotemperaturowe. Gwałtowny wzrost Tc widoczny w środkowej części wykresu jest wynikiem odkrycia nadprzewodzących miedzianów i perowskitów o wysokiej Tc w 1986 i 1987 roku.
Faktory formy produktu
Dostawcy nadprzewodników i materiałów nadprzewodzących oferują produkty w różnych formach, z których niektóre wymieniono poniżej.
Surowe materiały nadprzewodzące obejmują związki chemiczne w postaci proszków lub kryształów. Proszek nadprzewodnikowy jest wykorzystywany do produkcji bardziej wydajnych ogniw paliwowych, membran do separacji gazów i baterii litowo-jonowych.
Magnesy są produkowane do zastosowań MAGLEV i MRI, omówionych poniżej, a także do mikroskopii i spektroskopii NMR/EPR.
Drut i kabel są wykorzystywane w nadprzewodzącym przesyle energii i badaniach naukowych w ultra-wysokich polach magnetycznych.
Producenci nadprzewodników mogą specjalizować się w zaawansowaniu pewnych związków nadprzewodzących, takich jak formuły oparte na niobu lub diborku magnezu (MgB2).
Zastosowania
Nadprzewodniki nie są dostępne na szeroką skalę komercyjną ze względu na rozległe chłodzenie niezbędne do osiągnięcia stanów nadprzewodzących. Są one powszechne w kilku wyspecjalizowanych zastosowaniach, w tym:
Pociągi MAGLEV używają nadprzewodzących magnesów, aby praktycznie wyeliminować tarcie między pociągiem a torami. Zastosowanie konwencjonalnych elektromagnesów spowodowałoby marnowanie ogromnych ilości energii poprzez straty cieplne i wymagałoby użycia nieporęcznego magnesu, podczas gdy nadprzewodniki zapewniają doskonałą wydajność i mniejsze magnesy.
Obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) wykorzystuje generowane przez nadprzewodniki pola magnetyczne do oddziaływania z atomami wodoru i cząsteczkami tłuszczu w ludzkim ciele. Te atomy i cząsteczki następnie uwalniają energię, która jest wykrywana i formowana w obraz graficzny. MRI jest szeroko stosowaną metodą radiograficzną do diagnostyki medycznej lub oceny zaawansowania chorób, takich jak rak.
Generatory elektryczne zbudowane z drutu nadprzewodzącego osiągnęły 99% sprawności w testach eksperymentalnych, ale nie zostały jeszcze zbudowane komercyjnie.
Produkcja energii elektrycznej przy użyciu nadprzewodzących kabli i transformatorów została doświadczalnie przetestowana i zademonstrowana.
Standardy
Różne opublikowane standardy i podręczniki dotyczą nadprzewodnictwa i nadprzewodników. Przykłady obejmują:
- BS EN 61788-Nadprzewodnictwo (seria)
- IET-Elektrodynamiczna teoria nadprzewodników
- Wiley-Wysokotemperaturowe półprzewodnikowe materiały masowe
.