AlegsaOnline.com

Supraledare | ämne som leder elektricitet utan motstånd

Författare: Leandro Alegsa

25-11-2022

En supraledare är ett ämne som leder elektricitet utan motstånd när det blir kallare än en "kritisk temperatur". Vid denna temperatur kan elektroner röra sig fritt genom materialet. Supraledare skiljer sig från vanliga ledare, t.ex. koppar. Vanliga ledare förlorar sitt motstånd (blir mer ledande) långsamt när de blir kallare. Däremot förlorar supraledare sitt motstånd på en gång. Detta är ett exempel på en fasövergång. Höga magnetfält förstör supraledningen och återställer det normala ledningstillståndet. Några exempel på supraledare är metallerna kvicksilver och bly, keramik och organiska kolnanorör.

Normalt sett producerar en magnet som rör sig vid en ledare strömmar i ledaren genom elektromagnetisk induktion. Men en supraledare trycker faktiskt bort magnetfält helt och hållet genom att inducera ytströmmar. I stället för att låta magnetfältet passera igenom fungerar supraledaren som en magnet som pekar åt motsatt håll, vilket stöter bort den riktiga magneten. Detta kallas Meissner-effekten, och den kan demonstreras genom att sväva en supraledare över magneter eller tvärtom.

En magnet som svävar ovanför en högtemperatursupraledare som kyls med flytande kväve. En ihållande elektrisk ström flyter på supraledarens yta. Detta utesluter magnetens magnetfält (Faradays induktionslag). I själva verket bildar strömmen en elektromagnet som stöter bort magneten.

Förklaring

Fysiker förklarar supraledning genom att beskriva vad som händer när temperaturen blir kall. Värmeenergin i ett fast ämne eller en vätska skakar atomerna så att de vibrerar slumpmässigt, men detta blir mindre när temperaturen sjunker. Elektroner bär samma negativa elektriska laddning vilket gör att de stöter bort varandra. Vid högre temperaturer beter sig varje elektron som om den vore en fri partikel. Det finns dock också en mycket svag attraktion mellan elektroner när de befinner sig i ett fast ämne eller en vätska. Vid ganska stora avstånd (många hundra nanometer från varandra) och låga temperaturer (nära den absoluta nollpunkten) gör den attraherande effekten och bristen på värmeenergi att elektronpar hänger ihop. Detta kallas för ett kopparpar och är en kvasipartikel, det vill säga den fungerar som om den vore en ny sorts egen partikel trots att den består av två grundläggande elektroner. Många överlappande cooperpar kan existera i samma nanometerstora utrymme. Eftersom parade elektroner utgör en boson synkroniseras rörelserna hos alla cooperpar inom en enda supraledare och de fungerar som om de vore en enda enhet. Små störningar, t.ex. spridning av elektroner, är förbjudna i detta tillstånd och de rör sig som en enhet utan att visa något motstånd mot sin rörelse. Det är alltså nu en supraledare.

Historia om supraledare

1911	supraledning upptäcktes av Heike Kamerlingh Onnes.
1933	Meissner-effekten upptäcktes av Walter Meissner och Robert Ochsenfeld.
1957	teoretisk förklaring till supraledning som lades fram av John Bardeen, Leon Cooper och John Schrieffer (BCS-teorin)
1962	tunnling av supraledande Cooper-par genom en isolerande barriär förutspådd.
1986	En keramisk supraledare upptäcktes av Alex Müller och Georg Bednorz. Keramik är normalt sett isolatorer. En förening av lantan, barium, koppar och syre med en kritisk temperatur på 30 K. Öppnade upp möjligheterna för nya supraledare.
2020	En supraledare som fungerar vid rumstemperatur upptäcks

Applikationer

Supraledande kvantinterferensanordning (SQUID)
Partikelacceleratorer
Små partikelacceleratorer inom hälsovården
Svävande tåg
Kärnfusion
MRI-skanner
Ect.

Frågor och svar

F: Vad är en supraledare?

S: En supraledare är ett ämne som leder elektricitet utan motstånd när det blir kallare än en "kritisk temperatur". Vid denna temperatur kan elektroner röra sig fritt genom materialet.

Fråga: Hur skiljer sig en supraledare från en vanlig ledare?

S: Vanliga ledare förlorar sitt motstånd (blir mer ledande) långsamt när de blir kallare. Däremot förlorar supraledare sitt motstånd på en gång. Detta är ett exempel på en fasövergång.

F: Vilka är några exempel på supraledare?

S: Några exempel på supraledare är metallerna kvicksilver och bly, keramik och organiska kolnanorör.

F: Hur påverkas en magnet som rör sig vid en ledare?

S: Normalt sett producerar en magnet som rör sig vid en ledare strömmar i ledaren genom elektromagnetisk induktion. Men en supraledare trycker faktiskt ut magnetfält helt och hållet genom att inducera ytströmmar.

F: Vad är Meissner-effekten?

S: Meissner-effekten är när supraledaren, i stället för att låta magnetfältet passera igenom, agerar som en magnet som pekar åt motsatt håll, vilket stöter bort den riktiga magneten. Detta kan demonstreras genom att sväva en supraledare över magneter eller tvärtom.

Fråga: Förstör eller förstärker höga magnetfält supraledningen?

S: Höga magnetfält förstör supraledning och återställer det normala ledningstillståndet.