Hvad er en superleder? Definition, egenskaber og Meissner-effekt
Opdag superledere: definition, nøgleegenskaber og Meissner-effekten — hvordan elektricitet ledes uden modstand, og magneter får materialer til at svæve.
En superleder er et stof, der leder elektricitet uden modstand, når det bliver koldere end en "kritisk temperatur". Ved denne temperatur kan elektroner bevæge sig frit gennem materialet uden energitab. Superledere adskiller sig fra almindelige ledere som f.eks. kobber, hvor modstanden kun falder gradvist med temperatur. I modsætning hertil forsvinder modstanden i en superleder pludseligt ved faseovergangen til den superledende tilstand — et klassisk eksempel på en faseovergang. Høje magnetfelter eller for store strømme kan ødelægge superledningen og genoprette den normale ledende tilstand. Eksempler på materialer, der kan være superledende, omfatter metaller som kviksølv og bly, forskellige keramiske forbindelser og også organiske strukturer som kulstofnanorør.
Egenskaber og nøglebegreber
- Null modstand: I den superledende fase slipper strøm gennem materialet uden ohmske tab, hvilket betyder ubegrænset ledningstid i en lukket kreds.
- Meissner-effekten: Normalt inducerer en magnet bevægelser i en leder via elektromagnetisk induktion. Men en superleder frastøder i stedet magnetfeltet ved at inducere overfladestrømme, så feltet presses ud af materialet. Dette fænomen kaldes Meissner-effekten og gør det muligt at demonstrere levitation (superlederen kan svæve over magneter eller omvendt).
- Critiske parametre: Hvert superledende materiale har en kritisk temperatur (Tc), et kritisk magnetfelt (Hc) og en kritisk strømstyrke (Ic). Hvis nogen af disse overskrides, ophører superledningen.
- Penetrationsdybde og flux-pinning: I virkelige materialer trænger magnetfeltet ikke helt ind, men har en karakteristisk penetrationsdybde (λ). I type II-superledere kan magnetfeltet trænge ind i form af vortekser — disse kan "låses" (flux-pinning), hvilket giver stabil levitation og gør materialebrug i praktiske applikationer muligt.
- Cooper-par og energigab: Ifølge den mest kendte teori (BCS-teorien) binder elektroner sig to og to til såkaldte Cooper-par, som bevæger sig koherent uden at spredes af atomernes gitter, hvilket fører til nul modstand og et energigab i elektronernes spektrum.
Typer af superledere
- Type I: Almindelige metaller (fx kviksølv, bly). Disse har en skarp overgang fra normal til superledende tilstand og udviser komplet Meissner-effekt indtil et relativt lavt kritisk felt.
- Type II: Mange teknisk vigtige materialer (fx visse legeringer og keramiske højtemperatursuperledere). De tillader magnetfeltet at trænge ind i form af vortekser mellem to kritiske felter (Hc1 og Hc2) og tåler højere felter og strømme, hvilket gør dem mere anvendelige i praksis.
- Højtemperatursuperledere: Keramiske forbindelser (fx kobber-oxider eller jernbaserede materialer) med Tc-values godt over temperaturen for flydende helium. Nogle kan køles med flydende nitrogen, hvilket gør kølingen billigere og teknisk lettere.
Anvendelser
- Medicin: Superledende magneter i MRI-scannere til høje, stabile magnetfelter.
- Transport: Magnetsvævning (maglev) til tog, hvor levitation reducerer friktion.
- Forskning og industri: Superledende magneter i partikelacceleratorer og rekompressorer; kraftoverførsel og transformatorer med lavt tab i udvikling.
- Måleinstrumenter: SQUID'er (superledende kvanteinterferometre) bruges til ekstremt følsomme magnetfeltsmålinger.
Begrænsninger og udfordringer
Den største praktiske udfordring er ofte behovet for køling til meget lave temperaturer; mens højtemperatursuperledere har gjort store fremskridt, er mange avancerede systemer stadig afhængige af flydende helium eller andre dyre kølemetoder. Derudover er materialernes mekaniske egenskaber, fremstillingsomkostninger, og håndtering af kritiske felter og strømme vigtige tekniske begrænsninger.
Demonstration af Meissner-effekten
Meissner-effekten kan visuelt demonstreres ved at placere en afkølet superleder over en magnet eller lade en magnet svæve over en afkølet superleder. I praksis ses ofte en stabil svæveeffekt takket være flux-pinning i type II-materialer, hvor vortekserne låses fast i defekter i materialet og holder magneten i en fast position relativt til superlederen.
Samlet set er superledning et felt med stor både grundforskning- og anvendelsesinteresse: forståelsen af fænomenet har udviklet sig fra de tidlige opdagelser til avancerede materialer og teknologier, og forskning fortsætter i jagten på materialer med højere kritiske temperaturer og bedre praktiske egenskaber.
En magnet, der svæver over en højtemperatur-superleder, der er kølet med flydende nitrogen. Der løber en vedvarende elektrisk strøm på overfladen af superlederen. Dette udelukker magnetens magnetfelt (Faradays lov om induktion). Strømmen danner således en elektromagnet, som frastøder magneten.
Forklaring
Fysikere forklarer superledning ved at beskrive, hvad der sker, når temperaturen bliver kold. Den termiske energi i et fast stof eller en væske ryster atomerne, så de vibrerer tilfældigt, men dette bliver mindre, når temperaturen falder. Elektroner har den samme negative elektriske ladning, hvilket gør, at de frastøder hinanden. Ved højere temperaturer opfører hver elektron sig som en fri partikel. Der er dog også en meget svag tiltrækning mellem elektroner, når de befinder sig i et fast stof eller en væske. Ved ret store afstande (mange hundrede nanometer fra hinanden) og lave temperaturer (nær det absolutte nulpunkt) gør den tiltrækkende effekt og manglen på varmeenergi det muligt for elektronpar at hænge sammen. Dette kaldes et kobberpar, og det er en kvasipartikel, dvs. at det opfører sig som om det var en ny slags partikel i sig selv, selv om det består af to grundlæggende elektroner. Der kan eksistere mange overlappende cooperpar i det samme rum på nanometerstørrelse. Da parrede elektroner udgør en boson, synkroniseres bevægelserne af alle cooper-parrene i en enkelt superleder, og de fungerer som om de er en enkelt enhed. Små forstyrrelser som f.eks. spredning af elektroner er forbudt i denne tilstand, og den bevæger sig som én enhed uden at yde modstand mod bevægelsen. Den er derfor nu en superleder.
Historien om superledere
| 1911 | superledning opdaget af Heike Kamerlingh Onnes | |
| 1933 | Meissner-effekten opdaget af Walter Meissner og Robert Ochsenfeld | |
| 1957 | teoretisk forklaring på superledning, der blev fremsat af John Bardeen, Leon Cooper og John Schrieffer (BCS-teorien) | |
| 1962 | tunneling af superledende Cooper-par gennem isolerende barriere forudsagt | |
| 1986 | En keramisk superleder blev opdaget af Alex Müller og Georg Bednorz. Keramik er normalt isolatorer. En lanthan-, barium-, kobber- og oxygenforbindelse med en kritisk temperatur på 30 K. Åbnede mulighederne for nye superledere. | |
| 2020 | Superleder opdaget, der fungerer ved stuetemperatur |
Applikationer
- Superledende kvanteinterferensanordning (SQUID)
- Partikelacceleratorer
- Småpartikelacceleratorer i sundhedssektoren
- Svævende tog
- Nuklear fusion
- MRI-scanner
- Ect.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er en superleder?
Svar: En superleder er et stof, der leder elektricitet uden modstand, når det bliver koldere end en "kritisk temperatur". Ved denne temperatur kan elektroner bevæge sig frit gennem materialet.
Spørgsmål: Hvordan adskiller en superleder sig fra en almindelig leder?
Svar: Almindelige ledere mister deres modstand (bliver mere ledende) langsomt, når de bliver koldere. I modsætning hertil mister superledere deres modstand på én gang. Dette er et eksempel på en faseovergang.
Spørgsmål: Hvad er nogle eksempler på superledere?
Svar: Nogle eksempler på superledere er metallerne kviksølv og bly, keramik og organiske kulstofnanorør.
Spørgsmål: Hvordan påvirker en magnet, der bevæger sig ved en leder, denne?
A: Normalt producerer en magnet, der bevæger sig forbi en leder, strømme i lederen ved elektromagnetisk induktion. Men en superleder skubber faktisk magnetiske felter helt ud ved at inducere overfladestrømme.
Spørgsmål: Hvad er Meissner-effekten?
A: Meissner-effekten er, når superlederen i stedet for at lade det magnetiske felt passere igennem, opfører superlederen sig som en magnet, der peger den modsatte vej, hvilket frastøder den rigtige magnet. Dette kan demonstreres ved at lade en superleder svæve over magneter eller omvendt.
Spørgsmål: Ødelægger eller forstærker et højt magnetfelt superledning?
Svar: Høje magnetfelter ødelægger superledning og genopretter den normale ledende tilstand.
Søge