Det du ser här är Meissner -effekten, eller utvisning av ett magnetfält från en superledare när det övergår till dess supraledande tillstånd. Bild med tillstånd av Argonne National Laboratory En av fysikens oskrivna regler säger att du inte kan få något för ingenting; i bästa fall, du kan hantera en rättvis växelkurs mellan hur mycket energi du pumpar in i ett system och hur mycket du lockar ur det.
Tänk på din bil:I genomsnitt bara 12,6 procent av den kemiska energin du pumpar in till $ 3,50 plus (eller vad du än betalar) per gallon omsätts i rörelse. Resten går till att övervinna drag, tröghet och annan mekanisk ineffektivitet, med hela 62,4 procent som förbrukas av motorfriktion, luftpumpar och spillvärme [källa:California Energy Commission].
Värme växer upp i alla typer av system. Som en energisnabbare, det skummar av toppen av kemiska reaktioner, fysiska system och elektriska kretsar. Oavsett om det är en följd av förlorad effektivitet eller dess orsak, resultatet är att du tar förlust i affären. Värme är anledningen till att vi inte kan uppnå evig rörelse (eller rörelse som aldrig upphör).
Det är också anledningen till att kraftverk måste förstärka strömmen till höga spänningar vid överföring över landet:för att övervinna energi som går förlorad till motstånd - friktionens elektriska motsvarighet. Tänk om vi kunde hitta ett sätt att ta bort motstånd, därmed utrota energiförlust:inga serviceavgifter, inga skatter och inga skyddspengar. Energy in =Energy out.
Ange superledare. Om termodynamikens tre lagar säger att det inte finns något som heter gratis lunch, sedan har superledare sin tårta och äter den, för. Skicka ström genom en supraledande tråd, och det tappar ingen energi till motstånd. Böj tråden i en slinga, och det kommer att hålla avgiften på obestämd tid. Flytta den över en magnet, och solen kommer att sluka jorden innan den faller.
Strax efter upptäckten 1911 av den nederländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes och hans medarbetare, Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim och Gilles Holst, supraledning inspirerade drömmar om ingen förlust av elektrisk överföring. Tyvärr, det var en fångst.
Superledare kräver mycket kalla temperaturer, i storleksordningen 39 kelvin (minus 234 C, minus 389 F) för konventionella supraledare. Den fasta kvicksilvertråden som Kamerlingh Onnes använde krävde temperaturer under 4,2 K (minus 269,0 C, minus 452,1 F). Även så kallade högtemperatur supraledare gör bara sin magi under 130 K (minus 143 C, minus 225,7 F).
För att göra saken värre, superledare lämnar sitt motståndslösa tillstånd om de utsätts för ett för stort magnetfält-eller för mycket el.
Allt var inte förlorat, dock. Moderna superledare, såsom niobium-titan (NbTi), har höjt ribban för hur mycket magnetisk belastning de tål. Deras överlägsna magnetfält gör dem användbara i vissa maglevtåg, liksom i protonacceleratorer, som den på Fermilab, eller MR -maskiner, deras vanligaste applikation. Inom en snar framtid, forskare hoppas kunna använda dem i framväxande krafttekniker, t.ex. energilagringssystem eller högeffektiva vindkraftverk.
Innan vi tittar på de chockerande sätten som superledare kringgår motstånd, låt oss granska hur motstånd fungerar.
Innehåll
En av de coolaste tillämpningarna av superledare måste vara maglevtåg. Åk med i en i denna "Extreme Engineering" -video. Upptäckt Vissa ledare är bättre än andra; nyckeln är organisation. Bra tågledare håller järnvägarna igång i tid - och Arturo Toscanini fick NBC -symfoniorkestern att spela i tid - genom att förvränga komplexa element till ordnade system.
Bra elektriska ledare uppvisar en likartad harmonisk organisation men måste stå emot motstånd. Faktiskt, motstånd är det som skiljer konventionella ledare från sina superdrivna kusiner.
Tänk på fria elektroner i en typisk ledare som människor som fräser om en tågterminal. En applicerad ström är som klockan som meddelar tågets ankomst:På ett ögonblick, enskilda rörelser förvandlas till en enda, enad rörelse mot plattformarna - eller skulle, var det inte för några bråkmakare som snubblade, knuffas, dith vid tidningskiosker eller vägra att ge plats i rulltrappan. Tack vare det motstånd de ger, vissa resenärer saknar tåget, och strömmen tappar energi. Så är livet i Conductor Terminal.
Nu, ersätt dessa resenärer med en undercover flash mob. Vid klockan, de samarbetar och utför en synkroniserad, koreograferad dans över terminalen. Ingen missar tåget, och de är alla mindre trötta när de kommer dit. Det är underet att resa i Superconductor Station.
Innan vi studerar stegen i denna partikel pas de deux, dock, låt oss ta ett steg tillbaka och granska hur motståndet förvirrar vardagliga material. Vi börjar enkelt och lägger till komplexitet när vi går.
Även om det finns undantag, när vi säger elektrisk ström , vi menar vanligtvis en ström av elektroner som löper genom ett medium. Hur väl ett material leder elektricitet relaterar till hur lätt dess komponentatomer donerar elektroner. Isolatorer är elaka, medan konduktörer tillbringar sina som sjömän på strandlov.
De donerade elektronerna, nu känd som konduktanselektroner , kretsa inte om enskilda atomer utan flyter i stället fritt genom ledaren, som våra tågpendlare ovan. När en ström appliceras, de flyter genom materialet och överför elektricitet.
En ledare består av ett gitter av atomer; för att strömmen ska strömma, elektroner måste röra sig genom detta gitter med så lite störning som möjligt. Som ett gäng tennisbollar kastade genom ett djungelgym, oddsen är bra att vissa elektroner kommer att träffa gallret. Oddsen för störningar ökar om områden är böjda ur formen. Således, det är lätt att se hur materialbrister utgör en orsak till motstånd hos ledare.
I denna djungel gym analogi, atomer representeras av skärningar mellan metallstavar. I själva verket, en konduktors gitter är inte stel; dess atomer vibrerar, och interaktionerna som förbinder dem oscillerar, så det är bättre att tänka på det som ett rutnät av fjädrar. Vad är det som får dessa atomer att vibrera? Ju högre temperatur, ju mer gitteret vibrerar, och desto mer sannolikt är det att våra tennisbollar stöter på störningar. Krita upp den andra stora motståndskällan för vår gamla vän, värme.
Detta väcker frågan:Om värme är problemet, kanske inte kallt är svaret? Bara slappna av en sekund:Vi kommer till det i nästa avsnitt.
Om värme ökar motståndet, sedan vrida ner termostaten borde den minska, höger? Väl, det gör det, inom gränser. I normala ledare, motståndet sjunker när termometern sjunker, men det försvinner aldrig. Superledare fungerar lite annorlunda.
När en superledare svalnar, den följer en liknande kurva för gradvis tappande motstånd tills den når sin speciella kritisk temperatur ; sedan, tvärt, allt motstånd försvinner. Det är som om motståndet långsamt förlorade en dragkamp med konduktans och sedan, frustrerad, släpp repet. Faktiskt, ämnet genomgår a Fasövergång . Som att is smälter i vatten, det konventionella materialet antar ett nytt tillstånd, en med noll motstånd.
För att förstå vad som händer här, vi måste göra några modifieringar av vårt atomjungle -gym. Specifikt, vi måste börja ta hänsyn till magnetism.
När atomerna i en ledare ger upp elektroner, de blir positivt laddade joner, orsakar en nettoattraktion mellan atomgitteret och de negativt laddade elektronerna som passerar genom det. Med andra ord, som om vibrationer och deformationer inte vore illa nog, tennisbollarna vi kastar genom vårt oscillerande djungelgym är magneter. Du kan anta att detta skulle öka deras chanser att möta motstånd när du passerar genom vårt vingliga rutnät, och du skulle ha rätt - för vanliga ledare. Superledare, dock, använda det till deras fördel.
Föreställ dig ett par tennisbollar som kastas genom gallret, en het på den andra svansen. När den första bollen passerar genom det positivt laddade gallret, den lockar de omgivande atomerna mot den. Genom att slå ihop, dessa atomer skapar ett lokalt område med högre positiv laddning, vilket ökar kraften som drar den andra elektronen framåt. Följaktligen, energin som spenderas för att komma igenom, i genomsnitt, går jämnt.
Som fyrkantiga dansare, dessa Cooper par bildas och bryts samman hela tiden, men den övergripande effekten fortsätter sig själv, vilket gör att elektroner kan glida genom superledaren som smörjda blixtnedslag.
Cooper -par är uppkallade efter fysikern Leon N. C oj vem, med John B ardeen och John Robert S chrieffer, avancerade den första framgångsrika modellen som förklarar supraledning i konventionella supraledare. Deras prestation, känd som BCS -teori till deras ära, fick dem Nobelpriset i fysik 1972.
Superledningen vägrade att förbli fastklämd länge, dock; strax efter att BCS -teorin uppnått dragkraft i fältet, forskare började upptäcka andra supraledare-som högtemperatur supraledande kopparoxider-som bröt BCS-modellen.
I detta nästa avsnitt, vi ska titta på vad som skiljer dessa exotiska superledare från resten.
Permanent WaveKvantmekanik berättar att elektroner uppvisar både partikel- och vågegenskaper. Således, att konceptualisera motstånd och supraledning, du måste föreställa dig elektroner som vågor som sprider sig genom ett material, som krusningar på en damm. Motståndet som orsakas av vibrationer hos upphetsade joner liknar stenar som kastas i sjön, skapa motkrusningar som stör eller avbryter elektronvågen. Skillnaden mellan normala ledare och superledare ligger i graden av organisation. I superledare, alla elektroner antar en nästan identisk hastighet och riktning, bildar en singel, organiserad våg som motstår störningar.
Beroende på hur du skär pajen, det finns antingen många sorters superledare eller bara två. Ur perspektivet på hur de beter sig i magnetfält, dock, forskare brukar klassificera dem i två grupper.
A Typ I superledare är vanligtvis gjord av en ren metall. När den kyls under sin kritiska temperatur, ett sådant material uppvisar noll elektrisk resistivitet och visar perfekt diamagnetism , vilket betyder att magnetfält inte kan tränga in i det medan det är i supraledande tillstånd.
Superledare av typ II är vanligtvis legeringar, och deras diamagnetism är mer komplex. För att förstå varför, vi måste titta på hur superledare reagerar på magnetism.
Precis som varje superledare har en kritisk temperatur som gör eller bryter dess supraledande tillstånd, var och en omfattas också av en kritiskt magnetfält . En superledare av typ I går in och lämnar supraledande tillstånd vid en sådan tröskel, men ett typ II -material ändrar tillstånd två gånger, vid två olika magnetfältströsklar.
Skillnaden mellan typ I och typ II material liknar skillnaden mellan torris (fast koldioxid) och vattenis. Båda fasta ämnena kyler bra, men de hanterar värme annorlunda:Vattenis smälter i ett blandat tillstånd, isvatten, medan torris sublimerar :Vid normalt tryck, den övergår direkt från fast till gas.
När det gäller magnetism, en superledare av typ I är som torris:När den utsätts för sitt kritiska fält, dess supraledning brinner av direkt. En typ II är mer mångsidig.
I ett svagt fält, ett typ II -material uppvisar beteende som liknar en typ I, precis som H. 2 O och CO 2 båda kyler effektivt i fast tillstånd. Höj magnetfältet över en viss tröskel, dock, och materialet omorganiseras till ett blandat tillstånd - a virveltillstånd där små virvlar av supraledande ström flyter runt öar av normalt material. Som isvatten, det gör fortfarande sitt jobb ganska bra. Om magnetfältets styrka stiger, dock, normalitetens öar växer tillsammans, på så sätt förstör de omgivande bubbelpoolerna av supraledning.
Vad betyder detta blandade tillstånd för magnetism? Vi har diskuterat vad som händer när en superledare blir varm. Nu, låt oss titta på det från andra hållet.
I deras normala, varma tillstånd, både material av typ I och typ II tillåter magnetiska fält att flöda genom dem, men när de svalnar mot sina kritiska temperaturer, de driver alltmer ut dessa områden; elektroner i materialet bildar virvelströmmar som producerar ett motfält, ett fenomen som kallas Meissner -effekt .
När de når sin kritiska temperatur, Superledare av typ I avlägsnar eventuellt kvarvarande magnetfält som så många dödsbotade rumskamrater. Beroende på styrkan hos magnetfältet i vilket de finns, Typ II -fält kan göra detsamma - eller de kan bli lite klibbiga. Om de är i en virveltillstånd , magnetfältet som fortfarande flyter genom öarna av normalt material i deras supraledande strömmar kan fastna, ett fenomen som kallas flussnålning (se sidofältet) Magnetiskt flöde är ett mått på mängden magnetfält som passerar genom en given yta.
Eftersom de kan förbli superledare i detta starkare magnetfält, Typ II-material som niobium-titan (NbTi) är bra kandidater för den typ av supraledande magneter som finns i, säga, Fermilabs protonaccelerator eller i MR -maskiner.
När grodor flygerÅr 2000, Andre Geim och Sir Michael Berry vann Ig Nobelpriset för fysik genom att sväva en groda, samt vatten och hasselnötter, med hjälp av en superledare och diamagnetism. Även om vi tenderar att tänka på vatten och organisk vävnad som omagnetiska, vissa element och de flesta föreningar uppvisar en mycket svag frånstötande effekt när de placeras i ett starkt magnetfält. Fysiker använder också diamagnetism för att stabilt sväva superledare. Tricket ligger i superledare av typ II som yttrium barium kopparoxid, som släpper igenom något magnetfält och klämmer fast det. Videon "quantum levitation" som gick viralt på webben 2011 exemplifierade denna typ av levitation, där magnetism och diamagnetism kombineras för att hålla levitatorn helt stilla, till skillnad från typ I -material, som svävar stadigt men vacklar, eller ferromagneter, som inte kan sväva stabilt utan hjälp utifrån.
Superledarnas industriella och vetenskapliga tillämpningar begränsas av de speciella temperaturförhållanden som krävs för att arbeta sin elektromagnetiska mojo, så det är vettigt att klassificera material baserat på deras kritiska temperaturer och tryckkrav.
Hundratals ämnen, inklusive 27 metalliska element - som aluminium, leda, kvicksilver och tenn - blir supraledare vid låga temperaturer och tryck. Ytterligare 11 kemiska element - inklusive selen, kisel och uran - övergång till supraledande tillstånd vid låga temperaturer och höga tryck [källa:Encyclopaedia Britannica].
Fram till 1986, när IBM -forskarna Karl Alexander Mulller och Johannes Georg Bednorz inledde en ålder av supraledare vid hög temperatur med en barium-lantan-kopparoxid som uppnådde nollmotstånd vid 35 K (minus 238 C, minus 397 F), den högsta kritiska temperaturen som uppnås av en superledare uppmätt 23 K (minus 250 C, minus 418 F). Sådan superledare vid låg temperatur krävs kylning med flytande helium, som var svår att producera och tenderade att bryta budgetar [källa:Haldar och Abetti]. Högtemperatur superledare ger temperaturområdet upp till cirka 130 K (minus 143 C, minus 226 F), vilket innebär att de kan kylas med flytande kväve som tillverkas billigt från luft [källa:Mehta].
Även om fysiker förstår mekanismerna för lågtemperatur superledare, som följer BCS -modellen, supraledare vid höga temperaturer förblir gåtfulla [källa:CERN]. Den heliga gralen skulle vara att uppnå ett material med noll motstånd vid rumstemperatur, men än så länge förblir den drömmen svårfångad. Det kanske inte går att göra eller kanske, som andra vetenskapliga revolutioner, den ligger precis över horisonten, väntar på den nödvändiga tekniska eller teoretiska innovationen för att göra drömmen till verklighet.
Sålänge, de kraftfulla fördelarna som superledare erbjuder tyder på ett brett utbud av nuvarande och framtida tillämpningar inom områdena elektrisk kraft, transport, medicinsk bildbehandling och diagnostik, kärnmagnetisk resonans (NMR), industriell bearbetning, hög energi fysik, trådlös kommunikation, instrumentation, sensorer, radar, avancerad dator och till och med kryogenik [källa:CCAS].
Förutom maglev, MR- och partikelacceleratorapplikationer som vi nämnde tidigare, superledare används för närvarande kommersiellt i NMR -spektroskopi, ett viktigt verktyg för bioteknik, genomik, läkemedelsforskning och materialvetenskapligt arbete. Industri tillämpar dem också i en magnetisk process för att separera kaolinlera, ett vanligt fyllmedel i papper och keramiska produkter.
När det gäller framtiden, om forskare och tillverkare kan övervinna superledares kostnadsbegränsningar, kylning, tillförlitlighet och acceptans, himlen är gränsen. Vissa ser grön teknik, som väderkvarnar, som nästa steg i en mer utbredd acceptans och tillämpning av tekniken, men större möjligheter hägrar.
Vem vet? Kanske kommer en framtida läsare att läsa den här artikeln på en dator utrustad med processorer med nästan ljushastighet, ansluten till ett nät som drivs av fusionsreaktorer - allt tack vare supraledning.
Vive La DifférenceSuperledare har mer än noll resistivitet; de erbjuder också extremt hög strömbärande densitet, exceptionellt lågt motstånd vid höga frekvenser, mycket låg signaldispersion och hög magnetisk fältkänslighet. De utesluter externt applicerade magnetfält, uppvisar ovanliga kvantbeteenden och har förmåga till signalöverföring med nära hastighet. Denna kombination av faktorer skriver om reglerna för elektromagnetiska industrier effektivt och föreslår många möjliga innovationer, inklusive förbättrad elektrisk kraftöverföring, generation och lagring; mindre, kraftfullare magneter för motorer; avancerad medicinsk utrustning; förbättrade mikrovågskomponenter för kommunikation och militära applikationer; kraftigt förstärkta sensorer; och att använda magnetfält för att innehålla laddade partiklar.
