Superconductorii și materialele supraconductoare sunt metale, ceramică, materiale organice sau semiconductori puternic dopați care conduc electricitatea fără rezistență.
Materialele supraconductoare pot transporta electroni fără rezistență și, prin urmare, nu eliberează căldură, sunet sau alte forme de energie. Superconductibilitatea apare la temperatura critică (Tc) a unui anumit material. Pe măsură ce temperatura scade, rezistența unui material supraconductor scade treptat până când atinge temperatura critică. În acest punct, rezistența scade, adesea până la zero, așa cum se arată în graficul din dreapta.
În prezent, majoritatea materialelor trebuie să atingă o stare de energie extrem de scăzută prin temperaturi scăzute și/sau presiuni ridicate pentru a obține supraconductibilitatea. Deși sunt în curs de dezvoltare supraconductori de cercetare care sunt eficienți la temperaturi mai ridicate, supraconductivitatea este de obicei posibilă doar prin procese de răcire costisitoare și ineficiente.
Supraconductorii prezintă caracteristici unice, altele decât capacitatea lor de a conduce perfect curentul. De exemplu, mulți expulzează câmpuri magnetice în timpul tranziției la starea de supraconductibilitate. Acest lucru se datorează efectului Meissner prin care materialele supraconductoare stabilesc curenți electrici în apropierea suprafeței lor la Tc, anulând astfel câmpurile din interiorul materialului însuși. Un magnet staționar pe un supraconductor demonstrează acest efect: pe măsură ce supraconductorul se răcește până la temperatura sa critică, expulzarea fluxului magnetic din conductor face ca magnetul să leviteze deasupra materialului.
Efectul Meissner: fluxul magnetic al unui supraconductor deasupra (stânga) și sub temperatura critică.
Principii
Principiile supraconductorilor pot fi explicate prin examinarea diferitelor formule. În primul rând, lipsa de rezistență într-un supraconductor purtător de curent poate fi ilustrată prin legea lui Ohm, R=V/I, unde R este rezistența, V este tensiunea și I este curentul. Deoarece materialele supraconductoare transportă curent fără tensiune aplicată, R=0. De asemenea, supraconductivitatea nu implică pierderea de putere, deoarece puterea este definită ca P=I2R; deoarece R este zero într-un material supraconductor, pierderea de putere este zero.
Aceste formule, împreună cu alte principii ale supraconductorilor, sunt explicate în videoclipul educațional de mai jos.
Credit video: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Tipuri
Supraconductorii sunt clasificați în materiale de tip I și de tip II.
Materialele de tip I prezintă cel puțin o anumită conductivitate la temperatura ambiantă și includ în principal metale pure și metaloizi. Ele au temperaturi critice scăzute, de obicei între 0 și 10 K (-273°C și, respectiv, -263°C). După cum s-a discutat mai sus, acest tip experimentează o scădere bruscă a rezistenței, precum și expulzarea completă a câmpurilor magnetice (perfect diamagnetice) la temperatura critică.
Metalele de tip I obțin supraconductibilitatea prin încetinirea activității moleculare prin intermediul temperaturilor scăzute. Conform teoriei BCS, acest lucru creează un mediu favorabil împerecherii Cooper, astfel încât perechile de electroni sunt capabile să depășească obstacolele moleculare, conducând la un flux liber de electroni fără tensiune aplicată.
Cuprul, argintul și aurul sunt trei dintre cei mai buni conductori metalici, dar nu sunt supraconductoare. Acest lucru se datorează structurilor lor de rețea cu celule unitare cubice cu fețe centrate (FCC), care sunt atât de strâns împachetate încât vibrațiile de rețea la temperaturi scăzute, esențiale pentru supraconductibilitate, nu reușesc să constrângă electronii liberi în perechi Cooper. În timp ce unele metale FCC, cum ar fi plumbul, sunt capabile de supraconductivitate, acest lucru se datorează unor factori externi, cum ar fi modulul de elasticitate scăzut al plumbului.
Majoritatea materialelor de tip II sunt compuși sau aliaje metalice, deși vanadiul elementar, tecnețiul și niobiul se încadrează, de asemenea, în acest grup. Acestea sunt capabile de supraconductivitate la temperaturi critice mult mai ridicate. De exemplu, testarea din 2015 a Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ a dus la o Tc de 400 K (+129°C), cu peste 100°C peste temperatura ambiantă, deși materialele de tip II mai comune au temperaturi critice în intervalul 10-130 K. Până în 2015, nu există un consens științific cu privire la motivul acestor temperaturi critice mai ridicate.
Materialele de tip II capătă, de asemenea, o stare mixtă, care contrastează cu rezistența în picaj la Tc pentru materialele de tip I, atunci când se apropie de temperatura lor critică. Stările mixte sunt cauzate de faptul că supraconductorii de tip II nu expulzează niciodată complet câmpurile magnetice, astfel încât pe material pot fi observate „dungi” supraconductoare microscopice.
Alte clasificări
Clasificarea în funcție de tipurile de mai sus se face teoretic prin comportamentul câmpului magnetic. Materialele de tip I au o singură temperatură critică de câmp peste care supraconductibilitatea încetează complet, în timp ce materialele de tip II au două puncte critice de câmp între care poate exista o stare mixtă. O altă metodă de clasificare a supraconductorilor este în funcție de temperatură, materialele de „temperatură joasă” încadrându-se sub nivelul de supraconductibilitate răcită cu azot lichid, iar cele de „temperatură înaltă” peste acesta. Materialele de temperatură joasă pot fi răcite cu ajutorul unor gaze lichide, cum ar fi neon, hidrogen și heliu.
O listă completă a temperaturilor critice pentru materialele supraconductoare poate fi găsită aici pentru tipul I și aici pentru tipul II.
Graficul de mai jos ilustrează această distincție, precum și o cronologie care prezintă istoricul descoperirilor privind temperaturile critice. Materialele cu temperaturi critice care se încadrează peste punctul de fierbere al azotului lichid (aproximativ 77 K) sunt cunoscute ca materiale de înaltă temperatură. Creșterea spectaculoasă a Tc observată în mijlocul graficului este rezultatul descoperirii cupraților supraconductori și a perovskitelor cu Tc ridicată în 1986 și 1987.
Factori de formă ai produselor
Furnizorii de supraconductori și materiale supraconductoare oferă produse sub diferite forme, dintre care unele sunt enumerate mai jos.
Materialele supraconductoare brute includ compuși chimici sub formă de pulberi sau cristale. Pulberea supraconductoare este încorporată în fabricarea unor pile de combustie mai eficiente, a membranelor de separare a gazelor și a bateriilor litiu-ion.
Magneții sunt produși pentru aplicațiile MAGLEV și RMN, după cum se discută mai jos, precum și pentru microscopie și spectroscopie RMN/EPR.
Firele și cablurile sunt utilizate în transmisia de energie supraconductoare și în cercetarea științifică în câmpuri magnetice ultra-înalte.
Producătorii de superconductori se pot specializa în avansarea unui anumit compus supraconductor, cum ar fi formulele pe bază de niobiu sau diborura de magneziu (MgB2).
Aplicații
Supraconductorii nu sunt disponibili la scară comercială largă din cauza răcirii extinse necesare pentru a atinge stările supraconductoare. Ei sunt obișnuiți în câteva aplicații specializate, printre care:
Trenurile MAGLEV folosesc magneți supraconductori pentru a elimina practic frecarea dintre tren și șine. Utilizarea electromagneților convenționali ar irosi cantități uriașe de energie prin pierderea de căldură și ar necesita utilizarea unui magnet greu de manevrat, în timp ce supraconductorii au ca rezultat o eficiență superioară și magneți mai mici.
Imagistica prin rezonanță magnetică (IRM) utilizează câmpuri magnetice generate de supraconductori pentru a interacționa cu atomii de hidrogen și moleculele de grăsime din corpul uman. Acești atomi și molecule eliberează apoi energie care este detectată și formată într-o imagine grafică. IRM este o metodă radiografică utilizată pe scară largă pentru diagnosticul medical sau pentru stadializarea bolilor, cum ar fi cancerul.
Generatoarele electrice construite cu fire supraconductoare au atins cote de eficiență de 99% în testele experimentale, dar nu au fost încă construite în scop comercial.
Generarea de energie electrică cu ajutorul cablurilor și transformatoarelor supraconductoare a fost testată și demonstrată experimental.
Standarde
Diverse standarde și manuale publicate abordează supraconductivitatea și supraconductorii. Exemplele includ:
- BS EN 61788-Superconductivitate (serie)
- IET-Teoria electrodinamică a supraconductorilor
- Wiley-Materiale semiconductoare de înaltă temperatură
.