Superconductor | stof, der leder elektricitet uden modstand
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. Superledere adskiller sig fra almindelige ledere som f.eks. kobber. 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. Høje magnetfelter ødelægger superledning og genopretter den normale ledende tilstand. Nogle eksempler på superledere er metallerne kviksølv og bly, keramik og organiske kulstofnanorør.
Normalt producerer en magnet, der bevæger sig ved en leder, strømme i lederen ved elektromagnetisk induktion. Men en superleder skubber faktisk magnetiske felter helt ud ved at inducere overfladestrømme. 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 kaldes Meissner-effekten, og den kan demonstreres ved at lade en superleder svæve over magneter eller omvendt.
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.
