Definition, Typen und Verwendung von Supraleitern

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Ein Supraleiter ist ein Element oder eine Metalllegierung, die beim Abkühlen unter eine bestimmte Schwellentemperatur den gesamten elektrischen Widerstand dramatisch verliert. Grundsätzlich können Supraleiter zulassen elektrischer Strom ohne Energieverlust zu fließen (obwohl in der Praxis ein idealer Supraleiter sehr schwer herzustellen ist). Diese Art von Strom wird als Superstrom bezeichnet.

Die Schwellentemperatur, unterhalb derer ein Material in einen Supraleiterzustand übergeht, wird als bezeichnet T.c, was für kritische Temperatur steht. Nicht alle Materialien werden zu Supraleitern, und die Materialien, die jeweils einen eigenen Wert haben T.c.

Arten von Supraleitern

  • Typ I Supraleiter wirken als Leiter bei Raumtemperatur, aber wenn sie unten abgekühlt werden T.creduziert sich die molekulare Bewegung innerhalb des Materials so weit, dass sich der Stromfluss ungehindert bewegen kann.
  • Typ 2-Supraleiter sind bei Raumtemperatur keine besonders guten Leiter, der Übergang in einen Supraleiterzustand ist allmählicher als bei Typ 1-Supraleitern. Der Mechanismus und die physikalische Grundlage für diese Zustandsänderung sind derzeit nicht vollständig verstanden. Typ 2-Supraleiter sind typischerweise metallische Verbindungen und Legierungen.
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Entdeckung des Supraleiters

Die Supraleitung wurde erstmals 1911 entdeckt, als Quecksilber von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes auf etwa 4 Grad Kelvin abgekühlt wurde, was ihm 1913 den Nobelpreis für Physik einbrachte. In den Jahren seitdem hat sich dieses Gebiet stark erweitert und viele andere Formen von Supraleitern wurden entdeckt, einschließlich Typ-2-Supraleiter in den 1930er Jahren.

Die grundlegende Theorie der Supraleitung, die BCS-Theorie, brachte den Wissenschaftlern - John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer - 1972 den Nobelpreis für Physik ein. Ein Teil des Nobelpreises für Physik von 1973 ging an Brian Josephson, ebenfalls für die Arbeit mit Supraleitung.

Im Januar 1986 machten Karl Müller und Johannes Bednorz eine Entdeckung, die das Denken der Wissenschaftler über Supraleiter revolutionierte. Vor diesem Punkt war das Verständnis, dass sich die Supraleitung nur manifestierte, wenn sie auf nahe abgekühlt war Absoluter NullpunktUnter Verwendung eines Oxids aus Barium, Lanthan und Kupfer stellten sie jedoch fest, dass es bei etwa 40 Grad Kelvin zu einem Supraleiter wurde. Dies löste einen Wettlauf um die Entdeckung von Materialien aus, die bei viel höheren Temperaturen als Supraleiter fungierten.

In den Jahrzehnten seitdem waren die höchsten Temperaturen, die erreicht worden waren, ungefähr 133 Grad Kelvin (obwohl Sie bis zu 164 Grad Kelvin erreichen konnten, wenn Sie einen hohen Druck ausübten). Im August 2015 berichtete ein in der Zeitschrift Nature veröffentlichter Artikel über die Entdeckung der Supraleitung bei einer Temperatur von 203 Grad Kelvin unter hohem Druck.

Anwendungen von Supraleitern

Supraleiter werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere jedoch innerhalb der Struktur des Large Hadron Collider. Die Tunnel, die die Strahlen geladener Teilchen enthalten, sind von Röhren umgeben, die leistungsstarke Supraleiter enthalten. Die Superströme, die durch die Supraleiter fließen, erzeugen durch ein intensives Magnetfeld Elektromagnetische Induktion, kann verwendet werden, um das Team wie gewünscht zu beschleunigen und zu lenken.

Darüber hinaus weisen Supraleiter die Meißner-Effekt in dem sie den gesamten magnetischen Fluss im Material aufheben und perfekt diamagnetisch werden (entdeckt 1933). In diesem Fall bewegen sich die Magnetfeldlinien tatsächlich um den gekühlten Supraleiter. Es ist diese Eigenschaft von Supraleitern, die häufig in Magnetschwebeexperimenten verwendet wird, wie beispielsweise der Quantenverriegelung, die bei der Quantenschwebung beobachtet wird. Mit anderen Worten, wenn Zurück in die Zukunft Stil Hoverboards werden immer Realität. In einer weniger banalen Anwendung spielen Supraleiter eine Rolle bei modernen Fortschritten in Magnetschwebebahnen, die eine leistungsstarke Möglichkeit für den öffentlichen Hochgeschwindigkeitsverkehr bieten, der auf Elektrizität basiert (was sein kann) mit erneuerbaren Energien erzeugt) im Gegensatz zu nicht erneuerbaren Stromoptionen wie Flugzeugen, Autos und Kohle Züge.

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.

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