Supraledare och supraledande material är metaller, keramik, organiska material eller starkt dopade halvledare som leder elektricitet utan motstånd.
Supraledande material kan transportera elektroner utan motstånd och avger därför ingen värme, ljud eller andra energiformer. Supraledning uppstår vid ett visst materials kritiska temperatur (Tc). När temperaturen sjunker minskar ett supraledande materials motstånd gradvis tills det når den kritiska temperaturen. Vid denna punkt sjunker motståndet, ofta till noll, vilket visas i grafen till höger.
För närvarande måste de flesta material uppnå ett extremt lågenergitillstånd via låga temperaturer och/eller höga tryck för att uppnå supraledning. Även om forskningssupraledare som är effektiva vid högre temperaturer är under utveckling, är supraledning vanligtvis möjlig endast med dyra, ineffektiva kylprocesser.
Supraledare uppvisar andra unika egenskaper än sin förmåga att perfekt leda ström. Många stöter till exempel ut magnetfält under övergången till det supraledande tillståndet. Detta beror på Meissner-effekten genom vilken supraledande material sätter upp elektriska strömmar nära sin yta vid Tc, vilket därför upphäver fälten inom själva materialet. En stationär magnet på en supraledare demonstrerar denna effekt: när supraledaren svalnar genom sin kritiska temperatur får utstötningen av det magnetiska flödet från ledaren magneten att sväva ovanför materialet.
Meissner-effekten: en supraledares magnetiska flöde ovanför (till vänster) och under kritisk temperatur.
Principer
Principerna för supraledare kan förklaras genom att undersöka olika formler. För det första kan bristen på motstånd i en strömförande supraledare illustreras med Ohms lag, R=V/I, där R är motstånd, V är spänning och I är ström. Eftersom supraledande material leder ström utan någon påförd spänning är R=0. Supraledning innebär inte heller någon effektförlust, eftersom effekt definieras som P=I2R; eftersom R är noll i ett supraledande material är effektförlusten noll.
Dessa formler, tillsammans med andra supraledarprinciper, förklaras i den pedagogiska videon nedan.
Videokredit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Typer
Supraledare klassificeras i typ I- och typ II-material.
Typ I-material uppvisar åtminstone en viss ledningsförmåga vid omgivande temperatur och omfattar främst rena metaller och metalloider. De har låga kritiska temperaturer, vanligtvis mellan 0 och 10 K (-273°C respektive -263°C). Som diskuterats ovan upplever denna typ en plötslig minskning av motståndet samt en fullständig utdrivning av magnetfält (perfekt diamagnetiska) vid kritisk temperatur.
Typ I-metaller uppnår supraledning genom att bromsa den molekylära aktiviteten via låga temperaturer. Enligt BCS-teorin skapar detta en miljö som är gynnsam för Cooper-parning så att elektronpar kan övervinna molekylära hinder, vilket leder till fritt elektronflöde utan applicerad spänning.
Koppar, silver och guld är tre av de bästa metalliska ledarna men är inte supraledande. Detta beror på att deras gitterstrukturer med ansiktscentrerade kubiska (FCC) enhetsceller (FCC) är så tätt packade att de gittervibrationer vid låga temperaturer som är nödvändiga för supraledning inte lyckas tvinga fria elektroner att bilda Cooper-par. Även om vissa FCC-metaller, t.ex. bly, kan vara supraledande beror detta på yttre faktorer, t.ex. blyets låga elasticitetsmodul.
De flesta typ II-material är metallföreningar eller legeringar, även om elementärt vanadin, technetium och niobium också faller inom denna grupp. De är kapabla till supraledning vid mycket högre kritiska temperaturer. Till exempel gav 2015 års testning av Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ en Tc på 400 K (+129 °C), mer än 100 °C över omgivningstemperaturen, även om vanligare typ II-material har kritiska temperaturer inom intervallet 10-130 K. År 2015 finns det ingen vetenskaplig konsensus om orsaken till dessa högre kritiska temperaturer.
Typ II-material antar också ett blandat tillstånd, vilket står i kontrast till det störtdykande motståndet vid Tc för typ I-material, när de närmar sig sin kritiska temperatur. Blandade tillstånd orsakas av att typ II-supraledare aldrig helt utvisar magnetfält, så att mikroskopiska supraledande ”ränder” kan ses på materialet.
Andra klassificeringar
Klassificering enligt typerna ovan sker teoretiskt sett genom magnetfältsbeteende. Material av typ I har en enda kritisk fälttemperatur över vilken supraledning upphör helt, medan material av typ II har två kritiska fältpunkter mellan vilka ett blandat tillstånd kan existera. En annan metod för att klassificera supraledare är efter temperatur, där ”lågtempererade” material ligger under flytande kvävekyld supraledning och ”högtempererade” material ligger över. Material med låg temperatur kan kylas med hjälp av flytande gaser som neon, väte och helium.
En omfattande lista över kritiska temperaturer för supraledande material finns här för typ I och här för typ II.
Grafen nedan illustrerar denna distinktion, liksom en tidslinje som visar historien om upptäckter av kritiska temperaturer. Material med kritiska temperaturer som ligger över kokpunkten för flytande kväve (cirka 77 K) kallas för högtemperaturmaterial. Den dramatiska ökningen av Tc som syns i mitten av diagrammet är ett resultat av upptäckten av supraledande kopparater och perovskiter med hög Tc 1986 och 1987.
Produktformfaktorer
Leverantörer av supraledare och supraledande material erbjuder produkter i flera olika former, varav några anges nedan.
Råa supraledande material omfattar kemiska föreningar i form av pulver eller kristaller. Supraledande pulver ingår i tillverkningen av effektivare bränsleceller, gasavskiljningsmembran och litiumjonbatterier.
Magneter tillverkas för MAGLEV- och MRI-tillämpningar, som diskuteras nedan, samt för mikroskopi och NMR/EPR-spektroskopi.
Trådar och kablar används för supraledande kraftöverföring och för vetenskaplig forskning i ultrahöga magnetfält.
Superledartillverkare kan specialisera sig på att främja en viss supraledande förening, t.ex. niobbaserade formler eller magnesiumdiborid (MgB2).
Användningar
Superledare finns inte tillgängliga i stor kommersiell skala på grund av den omfattande kylning som krävs för att nå supraledande tillstånd. De är vanliga i några få specialiserade tillämpningar, bland annat:
MAGLEV-tåg använder supraledande magneter för att praktiskt taget eliminera friktionen mellan tåget och spåren. Användningen av konventionella elektromagneter skulle slösa bort enorma mängder energi via värmeförlust och göra det nödvändigt att använda en otymplig magnet, medan supraledare resulterar i överlägsen effektivitet och mindre magneter.
Magnetisk resonansavbildning (MRI) använder supraledargenererade magnetfält för att interagera med väteatomer och fettmolekyler i människokroppen. Dessa atomer och molekyler frigör sedan energi som detekteras och formas till en grafisk bild. MRI är en allmänt använd radiografisk metod för medicinsk diagnos eller stadieindelning av sjukdomar som cancer.
Elektriska generatorer byggda med supraledande tråd har uppnått en verkningsgrad på 99 % i experimentella tester, men har ännu inte byggts kommersiellt.
Elektrisk kraftgenerering med hjälp av supraledande kablar och transformatorer har testats experimentellt och demonstrerats.
Normer
En mängd publicerade standarder och handböcker behandlar supraledning och supraledare. Exempel är:
- BS EN 61788-Supraledning (serie)
- IET-Elektrodynamisk teori om supraledare
- Wiley-High temperature semiconductor bulk materials
.