Supergeleiding: nul weerstand, kwantumverschijnselen en praktische toepassingen

Wanneer een geleider gekoeld wordt tot temperaturen nabij het absolute nulpunt - rond -273 °C - kan het alle elektrische weerstand verliezen, niet alleen een klein fractie. Deze abrupte overgang naar nul weerstand, in plaats van een geleidelijke afname, is het kenmerk van supergeleiding.

H. Kamerlingh Onnes observeerde dit effect eerste in 1911 aan de Universiteit van Leiden, na helium vloeibaar te hebben gemaakt in 1908. Door kwik net boven het kookpunt van helium te koelen, zag hij de weerstand instorten naar nul.

Hoewel het precieze mechanisme nog gedebatteerd wordt, betrof de leidende uitleg elektronen die zich paren tot Cooper-paren die zonder strooiing bewegen. Een gerelateerde kwantumtoestand - supervloeibaarheid - laat bepaalde vloeistoffen zoals helium wrijvingsvrij vloeien.

Supergeleiders zouden stroomverliezen in elektriciteitsnetten kunnen elimineren, motorefficiëntie naar 100% drijven, en spoelen en condensators ideaal maken door weerstandsimperfecties te verwijderen. Prototypetoestellen bestaan al, maar ze onder hun kritieke temperatuur houden is een praktische struikelblok.

De temperatuur waarop een materiaal overgaat in de supergeleidende toestand is de overgangstemperatuur (Tc). Klassieke supergeleiders vereisen cryogene temperaturen, maar hoge-temperatuur varianten werken nu bij -160 °C of warmer. Het doel is materialen die functioneren bij kamertemperatuur of met goedkope koeling.

Hieronder is een beknopte tabel van kritieke temperaturen voor gangbare supergeleidende elementen en legeringen, uitgedrukt in Kelvin (1 K ≈ 1 °C). Kelvin wordt gebruikt om negatieve getallen te vermijden.

Supergeleiders interageren uniek met magnetische velden. In de supergeleidende toestand verdrijven ze magnetische flux - een fenomeen de Meissner-effect genoemd. Echter, als het veld de kritieke waarde van een materiaal overschrijdt, gaat supergeleiding verloren. Elk magnetisch veld verlaagt de kritieke temperatuur, dus een supergeleider blootgesteld aan hoge stromen (die velden genereren) moet kouder gehouden worden.

Deze magnetische beperkingen beïnvloeden circuitontwerp, omdat de nul weerstand van een supergeleidende draad nog steeds een stroomlimiet oplegt bepaald door zijn kritisch magnetisch veld.

Industriële gebruik versnelde na 1987, toen het yttrium-barium-koper-zuurstof keramisch ontdekt werd. Het supergeleidt bij -160 °C en kan gekoeld worden met vloeibare stikstof in plaats van vloeibare helium. Educatieve kits laten nu middellabooratoria de Meissner-effect demonstreren door een magneet te laten zweven over een gekoelde schijf.

Nul weerstand betekent ook dat een supergeleidende lus een persistente stroom oneindig kan handhaven zonder externe energie - essentieel een perfect energie-opslag element. Hoewel dit lijkt op perpetuum mobile, schendt het de thermodynamica niet omdat het energie opslaat, niet genereert.

Een andere intrigerende toepassing is de Josephson-koppeling, een supergeleidende "relais" die de ene stroom met de andere regelt zonder bewegende delen. De minuscule grootte en ultra-snelle schakeling beloven nieuwe computerarchitecturen die halfgeleidertransistors kunnen evenaren.

Belangrijkste punten

• Supergeleiders hebben absolute nul elektrische weerstand.
• Alle bekende supergeleiders vereisen koeling onder hun overgangstemperatuur, die varieert per materiaal.

Gerelateerde werkbladen

• Spanning, Stroom en Weerstand Werkblad
• Specifieke Weerstand van Geleiders Werkblad