Сверхпроводимость

Сверхпроводимость — это увлекательное и сложное явление, которое возникает в определенных материалах при охлаждении их до критических температур, обычно близких к абсолютному нулю. Проще говоря, сверхпроводимость включает в себя полное отсутствие электрического сопротивления и изгнание магнитных полей в материале.

Основы сверхпроводимости

Краеугольным камнем сверхпроводимости является свойство, открытое голландским физиком Хейке Камерлингом-Оннесом в 1911 году. Камерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление ртути резко падает до нуля при охлаждении ниже критической температуры около 4,2 Кельвина. Это открытие привело к пониманию того, что некоторые материалы проявляют идеальную проводимость при низких температурах.

Понимание сопротивления и проводимости

Чтобы понять сверхпроводимость, необходимо сначала понять основное электрическое сопротивление и проводимость. Сопротивление — это сопротивление, которое материал оказывает потоку электрического тока. Оно измеряется в омах (Ω). Проводимость, с другой стороны, является мерой того, насколько легко электричество проходит сквозь материал.

Закон Ома

Закон Ома описывает взаимосвязь между напряжением (V), током (I) и сопротивлением (R) в электрической цепи. Он выражается как:

V = I * R
    

Когда материал становится сверхпроводником, R = 0, что означает, что для любого тока падение напряжения на материале равно нулю.

Тонкое понимание: пары Купера

Микроскопическая теория сверхпроводимости была объяснена в 1957 году теорией БКШ (Бардин-Купер-Шриффер). Согласно теории БКШ, электроны в сверхпроводнике образуют пары Купера — пары электронов с противоположным моментом и спином. Эти пары перемещаются по решетчатой структуре материала без рассеяния, не вызывая сопротивления.

Роль фононов

Фононы, или квантизованные колебания решетки, играют ключевую роль в образовании пар Купера. Взаимодействие между электронами и фононами обеспечивает притягивающую силу, необходимую для образования пар, даже несмотря на то, что отдельные электроны отталкивают друг друга из-за одинаковых зарядов. Этот механизм спаривания значительно снижает энергию, необходимую для электрической проводимости.

Типы сверхпроводников

Сверхпроводники можно в общих чертах классифицировать на две категории:

Тип I сверхпроводника

Сверхпроводники типа I — это материалы, которые проявляют сверхпроводимость только ниже критического магнитного поля, которому они подвергаются. У них есть одна критическая температура и они внезапно теряют свои сверхпроводящие свойства, когда подвергаются воздействию магнитного поля, превышающего их критическое поле.

Тип II сверхпроводника

С другой стороны, сверхпроводники типа II имеют два критических магнитных поля: Hc1 и Hc2. Между этими двумя полями материал позволяет магнитным полям частично проникать сквозь него, позволяя образовываться вихрям, тем самым сохраняя некоторые сверхпроводящие свойства. Это делает их более устойчивыми к внешним магнитным полям, чем сверхпроводники типа I.

Эффект Майсснера

Эффект Майсснера — это особое свойство сверхпроводников. Он описывает изгнание линий магнитного поля изнутри сверхпроводящего материала, когда он падает ниже критической температуры. Это приводит к таким явлениям, как магнитная левитация.

В приведенном выше примере представьте себе сверхпроводник в центре. Линии магнитного поля пытаются проникнуть внутрь, но из-за эффекта Майсснера они отталкиваются, что приводит к левитации над сверхпроводником.

Применения сверхпроводимости

Сверхпроводимость предлагает множество применений в технике и промышленности:

Магнитно-резонансная томография (МРТ)

МРТ-аппараты обычно используют сверхпроводящие магниты. Эти магниты обеспечивают сильные магнитные поля, одновременно поддерживая энергоэффективность из-за их нулевого электрического сопротивления.

Маглев поезда

Поезда на магнитной левитации используют сверхпроводящие магниты для достижения движения без трения по рельсам. Отсутствие трения из-за левитации приводит к исключительно высоким скоростям и увеличенной энергоэффективности.

Задачи и перспективы на будущее

Хотя сверхпроводимость имеет невероятный потенциал, существуют многие проблемы, которые необходимо преодолеть. Необходимость крайне низких температур делает применение сверхпроводников дорогим и энергоемким.

Высокотемпературный сверхпроводник

Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТС) открыло новые возможности. В отличие от обычных сверхпроводников, которые требуют охлаждения жидким гелием, ВТС-материалы, такие как некоторые медные оксиды и железные никтиды, можно охлаждать с помощью жидкого азота, который менее дорогой. Понимание детального механизма ВТС остается проблемой, так как он отличается от теории БКШ.

Заключение

Сверхпроводимость является одним из самых интересных явлений в химии твердого тела, подчеркивая богатое взаимодействие квантовой механики и науки о материалах. Продолжающиеся исследования направлены на изучение материалов, которые проявляют сверхпроводимость при более высоких температурах и с большей эффективностью, обещая будущее, в котором сверхпроводимость может революционизировать передачу энергии, медицинскую визуали зацию, транспорт и многое другое.

Комментарии