Supergeleiding

Geleiders verliezen al hun elektrische weerstand wanneer ze worden afgekoeld tot superlage temperaturen (bijna het absolute nulpunt, ongeveer -273 ° Celsius). Het moet duidelijk zijn dat supergeleiding niet alleen een extrapolatie is van de neiging van de meeste geleiders om geleidelijk weerstand te verliezen bij dalende temperatuur; het is eerder een plotselinge, kwantumsprong in soortelijke weerstand van eindig naar niets. Een supergeleidend materiaal heeft absoluut geen elektrische weerstand, niet slechts een kleine hoeveelheid .

Supergeleiding werd voor het eerst ontdekt door H. Kamerlingh Onnes aan de Universiteit van Leiden, Nederland, in 1911. Slechts drie jaar eerder, in 1908, had Onnes een methode ontwikkeld om heliumgas vloeibaar te maken. enkele graden boven het absolute nulpunt. Hij besloot om veranderingen in de elektrische weerstand van kwik te onderzoeken bij afkoeling tot deze lage temperatuur, en ontdekte dat de weerstand tot niets daalde. net onder het kookpunt van helium.

Er is enige discussie over het hoe en waarom van supergeleidende materialen supergeleiding. Eén theorie stelt dat elektronen zich groeperen en in paren reizen (genaamd Cooper-paren ) binnen een supergeleider in plaats van onafhankelijk te reizen, en dat heeft iets te maken met hun wrijvingsloze stroming. Interessant genoeg is er nog een fenomeen van superkoude temperaturen, superfluïditeit , gebeurt met bepaalde vloeistoffen (vooral vloeibaar helium), wat resulteert in een wrijvingsloze stroom van moleculen.

Supergeleiding belooft buitengewone mogelijkheden voor elektrische circuits. Als de geleiderweerstand volledig zou kunnen worden geëlimineerd, zouden er geen vermogensverliezen of inefficiënties in elektrische energiesystemen zijn als gevolg van verdwaalde weerstanden. Elektromotoren zouden bijna perfect (100%) efficiënt kunnen worden gemaakt. Componenten zoals condensatoren en inductoren, waarvan de ideale eigenschappen normaal worden bedorven door inherente draadweerstanden, zouden in praktische zin ideaal kunnen worden gemaakt. Er zijn al enkele praktische supergeleidende geleiders, motoren en condensatoren ontwikkeld, maar hun gebruik is op dit moment beperkt vanwege de praktische problemen die inherent zijn aan het handhaven van superkoude temperaturen.

De drempeltemperatuur voor een supergeleider om over te schakelen van normale geleiding naar supergeleiding wordt de overgangstemperatuur genoemd. . Overgangstemperaturen voor "klassieke" supergeleiders liggen in het cryogene bereik (bijna het absolute nulpunt), maar er is veel vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van "hoge temperatuur" supergeleiders die supergeleidend zijn bij warmere temperaturen. Eén type is een keramisch mengsel van yttrium, barium, koper en zuurstof dat overgaat bij een relatief zwoele -160° Celsius. Idealiter zou een supergeleider moeten kunnen werken binnen het bereik van omgevingstemperaturen, of in ieder geval binnen het bereik van goedkope koelapparatuur.

De kritische temperaturen voor enkele veelvoorkomende stoffen worden hier in deze tabel weergegeven. Temperaturen worden gegeven in kelvin, die dezelfde incrementele reeks heeft als graden Celsius (een toename of afname van 1 kelvin is dezelfde hoeveelheid temperatuurverandering als 1° Celsius), alleen verschoven zodat 0 K het absolute nulpunt is. Zo hebben we niet te maken met veel negatieve cijfers.

Materiaal Element/legering Kritieke temp.(K) AluminiumElement1.20CadmiumElement0.56LoodElement7.2KwikElement4.16NiobiumElement8.70ThoriumElement1.37TinElement3.72TitaniumElement0.39UraniumElement1.0ZinkElement0.91Niobium/TinAlloy18.1KopersulfideCompound1.6

Supergeleidende materialen werken ook op interessante manieren samen met magnetische velden. In de supergeleidende toestand zal een supergeleidend materiaal de neiging hebben om alle magnetische velden uit te sluiten, een fenomeen dat bekend staat als het Meissner-effect . Als de magnetische veldsterkte echter boven een kritisch niveau toeneemt, wordt het supergeleidende materiaal niet-supergeleidend. Met andere woorden, supergeleidende materialen zullen hun supergeleiding verliezen (hoe koud je ze ook maakt) als ze worden blootgesteld aan een te sterk magnetisch veld. In feite is de aanwezigheid van elke magnetisch veld heeft de neiging de kritische temperatuur van elk supergeleidend materiaal te verlagen:hoe meer magnetisch veld aanwezig is, hoe kouder je het materiaal moet maken voordat het supergeleidend wordt.

Dit is een andere praktische beperking voor supergeleiders in circuitontwerp, aangezien elektrische stroom door elke geleider een magnetisch veld produceert. Ook al zou een supergeleidende draad geen weerstand hebben om stroom tegen te gaan, er zal nog steeds een limiet zijn hoeveel stroom er praktisch door die draad zou kunnen gaan vanwege de kritische magnetische veldlimiet.

Er zijn al een paar industriële toepassingen van supergeleiders, vooral sinds de recente (1987) komst van het yttrium-barium-koper-zuurstofkeramiek, dat alleen vloeibare stikstof nodig heeft om af te koelen, in tegenstelling tot vloeibaar helium. Het is zelfs mogelijk om supergeleidingskits te bestellen bij educatieve leveranciers die kunnen worden gebruikt in laboratoria van middelbare scholen (vloeibare stikstof niet inbegrepen). Meestal vertonen deze kits supergeleiding door het Meissner-effect, waarbij een kleine magneet in de lucht wordt opgehangen boven een supergeleidende schijf die wordt gekoeld door een bad van vloeibare stikstof.

De nulweerstand die supergeleidende circuits bieden, leidt tot unieke gevolgen. Bij een supergeleidende kortsluiting is het mogelijk om grote stromen voor onbepaalde tijd in stand te houden zonder aangelegde spanning!

Van ringen van supergeleidend materiaal is experimenteel bewezen dat ze jarenlang continue stroom ondersteunen zonder aangelegde spanning. Voor zover iemand weet, is er geen theoretische tijdslimiet voor hoe lang een stroom zonder hulp kan worden volgehouden in een supergeleidend circuit. Als je denkt dat dit een vorm van perpetuum mobile lijkt te zijn , je hebt gelijk! In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is er geen natuurkundige wet die eeuwigdurende beweging verbiedt; het verbod is veeleer in strijd met elke machine of elk systeem dat meer energie genereert dan het verbruikt (wat een over-unity wordt genoemd) apparaat). In het beste geval is het enige waar een perpetuum mobile (zoals de supergeleidende ring) goed voor is, het opslaan energie, niet genereren het vrij!

Supergeleiders bieden ook enkele vreemde mogelijkheden die niets te maken hebben met de wet van Ohm. Een van die mogelijkheden is de constructie van een apparaat genaamd Josephson Junction , die fungeert als een soort relais, waarbij de ene stroom wordt bestuurd met een andere stroom (uiteraard zonder bewegende delen). Het kleine formaat en de snelle schakeltijd van Josephson Junctions kan leiden tot nieuwe ontwerpen voor computercircuits:een alternatief voor het gebruik van halfgeleidertransistors.

BEOORDELING:

• Supergeleiders zijn materialen die absoluut geen elektrische weerstand hebben.
• Alle momenteel bekende supergeleidende materialen moeten tot ver onder de omgevingstemperatuur worden gekoeld om supergeleidend te worden. De maximale temperatuur waarbij ze dit doen, wordt de overgangstemperatuur . genoemd .

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Spanning, stroom en weerstand
• Specifiek werkblad weerstand van geleiders