Supravadītāju definīcija, veidi un lietojumi
Lielā hadronu paātrinātāja (LHC) tuneļa modelis ir redzams CERN (Eiropas Kodolpētījumu organizācija) apmeklētāju centrā. Johanness Saimons/Getty Images
Supravadītājs ir elements vai metāla sakausējums, kas, atdzesējot zem noteiktas sliekšņa temperatūras, materiāls krasi zaudē visu elektrisko pretestību. Principā supravadītāji var atļauties elektriskā strāva plūst bez enerģijas zudumiem (lai gan praksē ideālu supravadītāju ir ļoti grūti izveidot). Šāda veida strāvu sauc par virsstrāvu.
Temperatūras slieksnis, zem kura materiāls pāriet supravadītāja stāvoklī, tiek apzīmēts kā Tc , kas apzīmē kritisko temperatūru. Ne visi materiāli pārvēršas par supravadītājiem, un katram no tiem ir sava vērtība Tc .
Supravadītāju veidi
- I tipa supravadītāji darbojas kā vadītāji istabas temperatūrā, bet atdzesējot zemāk Tc , molekulārā kustība materiālā samazinās pietiekami, lai strāvas plūsma varētu pārvietoties netraucēti.
- 2. tipa supravadītāji nav īpaši labi vadītāji istabas temperatūrā, pāreja uz supravadītāju stāvokli ir pakāpeniskāka nekā 1. tipa supravadītāji. Šo stāvokļa izmaiņu mehānisms un fiziskais pamats pašlaik nav pilnībā izprotams. 2. tipa supravadītāji parasti ir metālu savienojumi un sakausējumi.
Supravadītāja atklāšana
Pirmo reizi supravadītspēja tika atklāta 1911. gadā, kad dzīvsudrabu atdzesēja līdz aptuveni 4 grādiem pēc Kelvina holandiešu fiziķis Heike Kamerlingh Onnes, kas viņam 1913. gadā atnesa Nobela prēmiju fizikā. Kopš tā laika šī joma ir ievērojami paplašinājusies, un ir atklāti daudzi citi supravadītāju veidi, tostarp 2. tipa supravadītāji 1930. gados.
Supravadītspējas pamatteorija, BCS teorija, nopelnīja zinātniekiem — Džonu Bārdīnu, Leonu Kūperu un Džonu Šrīferu — 1972. gada Nobela prēmiju fizikā. Daļu no 1973. gada Nobela prēmijas fizikā saņēma Braiens Džozefsons, arī par darbu ar supravadītspēju.
1986. gada janvārī Karls Mullers un Johanness Bednorcs veica atklājumu, kas radikāli mainīja zinātnieku domāšanu par supravadītājiem. Pirms šī brīža saprata, ka supravadītspēja izpaužas tikai tad, kad tā ir atdzesēta līdz tuvu absolūtā nulle , bet, izmantojot bārija, lantāna un vara oksīdu, viņi atklāja, ka tas ir kļuvis par supravadītāju aptuveni 40 grādos pēc Kelvina. Tas aizsāka sacensības, lai atklātu materiālus, kas darbojās kā supravadītāji daudz augstākās temperatūrās.
Pēdējo desmitgažu laikā augstākā sasniegtā temperatūra bija aptuveni 133 grādi pēc Kelvina (lai gan jūs varētu sasniegt pat 164 grādus pēc Kelvina, ja izmantotu augstu spiedienu). 2015. gada augustā žurnālā Nature publicētajā rakstā tika ziņots par supravadītspējas atklāšanu 203 Kelvina grādu temperatūrā augsta spiediena apstākļos.
Supravadītāju pielietojumi
Supravadītāji tiek izmantoti dažādos lietojumos, bet jo īpaši lielā hadronu paātrinātāja struktūrā. Tuneļus, kas satur lādētu daļiņu starus, ieskauj caurules, kurās ir spēcīgi supravadītāji. Virsstrāvas, kas plūst caur supravadītājiem, rada intensīvu magnētisko lauku elektromagnētiskā indukcija , ko var izmantot, lai paātrinātu un vadītu komandu pēc vēlēšanās.
Turklāt supravadītāji eksponē Meisnera efekts kurā tie atceļ visu magnētisko plūsmu materiāla iekšienē, kļūstot perfekti diamagnētiski (atklāti 1933. gadā). Šajā gadījumā magnētiskā lauka līnijas faktiski pārvietojas ap atdzesēto supravadītāju. Tieši šo supravadītāju īpašību bieži izmanto magnētiskās levitācijas eksperimentos, piemēram, kvantu bloķēšanā, kas novērota kvantu levitācijā. Citiem vārdiem sakot, ja Atpakaļ uz nākotni stila hoverboards jebkad kļūst par realitāti. Mazāk ikdienišķā lietojumā supravadītāji spēlē lomu mūsdienu sasniegumos magnētiskās levitācijas vilcieni , kas nodrošina jaudīgu iespēju ātrgaitas sabiedriskajam transportam, kura pamatā ir elektrība (kuru var saražot, izmantojot atjaunojamo enerģiju), atšķirībā no neatjaunojamām pašreizējām iespējām, piemēram, lidmašīnām, automašīnām un ar oglēm darbināmiem vilcieniem.
RediģējaAnne Marie Helmenstine, Ph.D.