Одно из неписаных правил физики гласит, что нельзя получить что-то просто так; в лучшем случае вы сможете установить справедливый обменный курс между тем, сколько энергии вы закачиваете в систему и сколько выманиваете из нее.
Возьмем свой автомобиль: в среднем только 12,6% химической энергии, которую вы вкачиваете по цене более 3,50 долларов (или столько, сколько вы платите) за галлон, преобразуется в движение. Остальное уходит на преодоление лобового сопротивления, инерции и других механических неэффективностей, при этом колоссальные 62,4 процента расходуются на трение двигателя, воздушные насосы и отработанное тепло..
Нагрев возникает во всех системах. Подобно растратчику энергии, он берет верх над химическими реакциями, физическими системами и электрическими цепями. Является ли это следствием потери эффективности или ее причиной, в результате вы терпите убытки в сделке. Тепло - вот почему мы не можем достичь вечного движения (или движения, которое никогда не прекращается).
Это также причина, по которой электростанции должны усиливать ток до высокого напряжения при передаче его по стране: чтобы компенсировать потери энергии насопротивление - электрический аналог трения. Представьте, если бы мы могли найти способ устранить сопротивление, тем самым искоренив потери энергии: без платы за обслуживание, без налогов и без денег на защиту. Энергия на входе=Энергия на выходе.
Введите сверхпроводники. Если три закона термодинамики утверждают, что бесплатного обеда не бывает, то и сверхпроводники получают свой кусок пирога и тоже его едят. Подайте ток через сверхпроводящий провод, и он не потеряет энергию на сопротивление. Согните провод в петлю, и он будет держать заряд бесконечно долго. Поднимите его над магнитом, и солнце поглотит Землю, прежде чем она упадет.
Вскоре после открытия в 1911 году голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом и его сотрудниками Корнелисом Дорсманом, Герритом Яном Флимом и Жилем Холстом сверхпроводимость вдохновила на мечты о передаче электроэнергии без потерь. К сожалению, был подвох.
Сверхпроводники требуют очень низких температур, порядка 39 кельвинов (минус 234 C, минус 389 F) для обычных сверхпроводников. Сплошная ртутная проволока, которую использовал Камерлинг-Оннес, требовала температуры ниже 4,2 К (минус 269,0 С, минус 452,1 F). Даже так называемые высокотемпературные сверхпроводники творят чудеса только при температуре ниже 130 K (минус 143 C, минус 225,7 F).
Что еще хуже, сверхпроводники выходят из своего состояния без сопротивления, если они подвергаются воздействию слишком сильного магнитного поля или слишком большого количества электричества.
Однако не все было потеряно. Современные сверхпроводники, такие как ниобий-титан (NbTi), подняли планку допустимой магнитной нагрузки. Их превосходные магнитные поля делают их полезными в некоторых поездах на магнитной подвеске, а также в ускорителях протонов, таких как в Фермилабе, или в машинах МРТ, их наиболее распространенном применении. В ближайшем будущем исследователи надеются использовать их в новых энергетических технологиях, таких как системы хранения энергии или высокоэффективные ветряные турбины.
Прежде чем мы рассмотрим шокирующие способы, которыми сверхпроводники обходят сопротивление, давайте рассмотрим, как работает сопротивление.
Сопротивление бесполезно
Некоторые проводники лучше других; главное организация. Хорошие проводники поездов обеспечивают работу железных дорог вовремя, а Артуро Тосканини заставлял Симфонический оркестр NBC играть вовремя, объединяя сложные элементы в упорядоченные системы.
Хорошие электрические проводники демонстрируют столь же гармоничную организацию, но должны бороться с сопротивлением. На самом деле сопротивление - это то, что отличает обычные проводники от их сверхмощных собратьев.
Подумайте о свободных электронах в типичном проводнике, как о людях, слоняющихся по вокзалу. Приложенный ток подобен звонку, возвещающему о прибытии поезда: в одно мгновение отдельные движения превращаются в единое, объединенное движение к платформам - или могли бы, если бы не несколько возмутителей спокойствия, которые спотыкаются, толкаются, колеблются у газетных киосков или отказываются уступить место на эскалаторе. Благодаря оказываемому ими сопротивлению некоторые путешественники опоздают на поезд, и ток теряет энергию. Такова жизнь в Терминале Проводников.
Теперь замените этих путешественников флешмобом под прикрытием. При звонке они объединяются и исполняют синхронный хореографический танец через терминал. Никто не опоздает на поезд, и все они будут менее уставшими, когда доберутся туда. Это чудо путешествия по сверхпроводниковой станции.
Прежде чем мы изучим этапы па-де-де этой частицы, давайте сделаем шаг назад и посмотрим, как сопротивление запутывает обыденные материалы. Мы начнем с простого и постепенно усложняем.
Хотя есть исключения, когда мы говоримэлектрический ток, мы обычно имеем в виду поток электронов, проходящий через среду. То, насколько хорошо материал проводит электричество, зависит от того, насколько легко атомы его компонентов отдают электроны. Изоляторы скупы, тогда как кондукторы тратят свои, как моряки в увольнении на берег.
Пожертвованные электроны, теперь известные какэлектроны проводимости, не вращаются вокруг отдельных атомов, а вместо этого свободно плавают по проводнику, как наши пассажиры поезда выше. При подаче тока они проходят через материал и передают электричество.
Проводник состоит из решетки атомов; чтобы электричество текло, электроны должны двигаться через эту решетку с минимальными помехами. Подобно связке теннисных мячей, брошенных через тренажерный зал в джунглях, вероятность того, что некоторые электроны ударятся о решетку, высока. Вероятность интерференции возрастает, если области изогнуты не по форме. Таким образом, легко увидеть, как дефекты материала являются одной из причин сопротивления проводников.
В этой аналогии с тренажерным залом в джунглях атомы представлены пересечениями металлических стержней. На самом деле решетка проводника не жесткая; его атомы вибрируют, и взаимодействия, соединяющие их, колеблются, так что лучше думать об этом как о сетке пружин. Что заставляет эти атомы вибрировать? Чем выше температура, тем сильнее вибрирует решетка, и тем больше вероятность того, что наши теннисные мячи наткнутся на помехи. Запишите второй важный источник сопротивления нашему старому другу, теплу.
В связи с этим возникает вопрос: если проблема заключается в жаре, то не может ли холод быть решением? Просто расслабьтесь на секунду: мы вернемся к этому в следующем разделе.
Хорошие вибрации
Если тепло увеличивает сопротивление, то выкручивание термостата должно уменьшить его, верно? Ну да, в пределах нормы. В обычных проводниках сопротивление падает по мере падения термометра, но никогда не исчезает. Сверхпроводники работают немного по-другому.
Поскольку сверхпроводник охлаждается, он движется по аналогичной кривой постепенного падения сопротивления, пока не достигнет определеннойкритической температуры; затем внезапно все сопротивление исчезает. Это как если бы сопротивление медленно проигрывало в перетягивании каната с проводимостью, а затем, расстроившись, отпускало веревку. На самом деле вещество претерпеваетфазовый переход Подобно таянию льда в воду, обычный материал принимает новое состояние, состояние с нулевым сопротивлением.
Чтобы понять, что здесь происходит, нам нужно внести несколько изменений в наш тренажерный зал атомных джунглей. В частности, нам нужно начать принимать во внимание магнетизм.
Когда атомы в проводнике отдают электроны, они становятся положительно заряженными ионами, вызывая чистое притяжение между атомной решеткой и отрицательно заряженными электронами, проходящими через нее. Другими словами, как будто вибраций и деформаций было недостаточно, теннисные мячи, которые мы бросаем через наш колеблющийся тренажерный зал в джунглях, являются магнитами. Можно предположить, что это повысит их шансы столкнуться с сопротивлением при прохождении через нашу шаткую сетку, и будете правы - для обычных проводников. Однако сверхпроводники используют это в своих интересах.
Представьте себе пару теннисных мячей, брошенных через сетку, один горячий на хвосте другого. Когда первый шар проходит через положительно заряженную решетку, он притягивает к себе окружающие атомы. Сгущаясь, эти атомы создают локальную область с более высоким положительным зарядом, что увеличивает силу, тянущую вперед второй электрон. Следовательно, энергия, затрачиваемая на прохождение, в среднем оказывается безубыточной.
Подобно кадрильям, этикуперовские пары формируются и распадаются постоянно, но общий эффект сохраняется в дальнейшем, позволяя электронам проноситься через сверхпроводник, как смазанные маслом молнии.
Куперовские пары названы в честь физика Леона Н. Cопера, который вместе с ДжономBардин и Джон РобертSchrieffer выдвинул первую успешную модель, объясняющую сверхпроводимость в обычных сверхпроводниках. Их достижение, известное какТеория БКШ в их честь, принесло им Нобелевскую премию по физике 1972 года.
Сверхпроводимость, однако, отказывалась долго оставаться придавленной; вскоре после того, как теория БКШ стала популярной в полевых условиях, исследователи начали открывать другие сверхпроводники, такие как высокотемпературные сверхпроводящие оксиды меди, которые нарушили модель БКШ..
В следующем разделе мы рассмотрим, что отличает эти экзотические сверхпроводники от остальных.
Постоянная волна
Квантовая механика говорит нам, что электроны обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Таким образом, чтобы осмыслить сопротивление и сверхпроводимость, вы должны представить электроны как волны, распространяющиеся через материал, как рябь на поверхности пруда. Сопротивление, вызванное вибрациями возбужденных ионов, похоже на камни, брошенные в это озеро, создавая встречную рябь, которая интерферирует с электронной волной или гасит ее. Разница между нормальными проводниками и сверхпроводниками заключается в степени их организации. В сверхпроводниках все электроны имеют почти одинаковую скорость и направление, образуя единую организованную волну, устойчивую к разрушению.
Типы сверхпроводников: магнитные личности
В зависимости от того, как разрезать пирог, существует либо много видов сверхпроводников, либо только два. Однако с точки зрения того, как они ведут себя в магнитных полях, ученые обычно делят их на две группы.
AСверхпроводник I типаобычно изготавливается из чистого металла. При охлаждении ниже критической температуры такой материал демонстрирует нулевое удельное электрическое сопротивление и совершенныйдиамагнетизм, что означает, что магнитные поля не могут проникать через него, пока он находится в сверхпроводящем состоянии.
Сверхпроводники типа II обычно представляют собой сплавы, и их диамагнетизм более сложен. Чтобы понять почему, нам нужно посмотреть, как сверхпроводники реагируют на магнетизм.
Так же, как каждый сверхпроводник имеет критическую температуру, которая делает его сверхпроводящим состоянием или разрушает его, каждый из них также подверженкритическому магнитному полю Сверхпроводник I типа входит в сверхпроводящее состояние и выходит из него при одном таком пороге, но материал типа II меняет состояние дважды, при двух разных порогах магнитного поля.
Разница между материалами Типа I и Типа II напоминает разницу между сухим льдом (твердый углекислый газ) и водяным льдом. Оба твердых тела хорошо охлаждаются, но по-разному справляются с теплом: водяной лед плавится в смешанное состояние, ледяная вода, тогда как сухой ледвозгоняется: при нормальном давлении он сразу переходит из твердого состояния в газообразное.
По отношению к магнетизму сверхпроводник типа I подобен сухому льду: при воздействии его критического поля его сверхпроводимость мгновенно сгорает. Тип II более универсален.
Находясь в слабом поле, материал типа II демонстрирует поведение, аналогичное типу I, как и H2O и CO2оба эффективно охлаждаются в твердом состоянии. Однако если магнитное поле превышает определенный порог, материал реорганизуется в смешанное состояние -вихревое состояние, в котором небольшие водовороты сверхпроводящего тока обтекают островки нормального материала. Подобно ледяной воде, он по-прежнему неплохо справляется со своей задачей. Однако, если напряженность магнитного поля возрастает, островки нормальности срастаются, разрушая тем самым окружающие водовороты сверхпроводимости.
Что это смешанное состояние означает для магнетизма? Мы обсудили, что происходит, когда сверхпроводник нагревается. А теперь давайте посмотрим на это с другой стороны.
В своем нормальном, теплом состоянии материалы как Типа I, так и Типа II пропускают через себя магнитные поля, но по мере того, как они охлаждаются до своих критических температур, они все больше вытесняют эти поля; электроны в материале создают вихревые токи, создающие встречное поле, явление, известное какэффект Мейснера
Когда они достигают своей критической температуры, сверхпроводники типа I вытесняют любое оставшееся магнитное поле, как и многие бездельники по комнате. В зависимости от силы магнитного поля, в котором они существуют, поля Типа II могут делать то же самое - или они могут стать немного липкими. Если они находятся ввихревом состоянии, магнитное поле, которое все еще течет через островки нормального материала в их сверхпроводящих потоках, может застрять, явление, известное какфиксация потока.(см. врезку) Магнитный поток - это мера величины магнитного поля, проходящего через данную поверхность.
Поскольку они могут оставаться сверхпроводниками в этом более сильном магнитном поле, материалы типа II, такие как ниобий-титан (NbTi), являются хорошими кандидатами на роль сверхпроводящих магнитов, используемых, скажем, в протонном ускорителе Фермилаб или в аппаратах МРТ.
Когда летают лягушки
В 2000 году Андре Гейм и сэр Майкл Берри получили Шнобелевскую премию по физике, подняв в воздух лягушку, а также воду и фундук, используя сверхпроводник и диамагнетизм. Хотя мы склонны считать воду и органические ткани немагнитными, некоторые элементы и большинство соединений проявляют очень слабый отталкивающий эффект при помещении в сильное магнитное поле. Физики также используют диамагнетизм для стабильной левитации сверхпроводников. Хитрость заключается в сверхпроводниках типа II, таких как оксид иттрия-бария-меди, которые пропускают некоторое магнитное поле и закрепляют его на месте. Видео «квантовая левитация», которое стало вирусным в сети в 2011 году, иллюстрирует этот вид левитации, в котором магнетизм и диамагнетизм объединяются, чтобы удерживать левитатор совершенно неподвижно, в отличие от материалов Типа I, которые стабильно левитируют, но колеблются, или ферромагнетиков, которые не могут левитировать. стабильно без посторонней помощи.
Типы сверхпроводников: (относительно) горячие тамале
Промышленное и научное применение сверхпроводников ограничено особыми температурными условиями, которые необходимы им для работы их электромагнитного моджо, поэтому имеет смысл классифицировать материалы на основе их требований к критическим температурам и давлению.
Сотни веществ, в том числе 27 металлических элементов, таких как алюминий, свинец, ртуть и олово, становятся сверхпроводниками при низких температурах и давлениях. Еще 11 химических элементов, в том числе селен, кремний и уран, переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах и высоких давлениях.
До 1986 года, когда исследователи IBM Карл Александр Мюллер и Йоханнес Георг Беднорц открыли эрувысокотемпературных сверхпроводниковс оксидом бария-лантана-меди, который достиг нулевого сопротивления при 35 K (минус 238 C, минус 397 F), самая высокая критическая температура, достигнутая сверхпроводником, составляет 23 K (минус 250 C, минус 418 F). Такиенизкотемпературные сверхпроводники требовали охлаждения жидким гелием, который было трудно производить и который, как правило, нарушал бюджет. Высокотемпературные сверхпроводники обеспечивают диапазон температур примерно до 130 К (минус 143 С, минус 226 F), а это означает, что их можно охлаждать с помощью жидкого азота, дешево сделанного из воздуха.
Хотя физики понимают механизмы, управляющие низкотемпературными сверхпроводниками, которые следуют модели БКШ, высокотемпературные сверхпроводники остаются загадочными. Святым Граалем было бы получение материала с нулевым сопротивлением при комнатной температуре, но пока эта мечта остается недостижимой. Возможно, это невозможно сделать или, возможно, как и другие научные революции, оно лежит прямо за горизонтом, ожидая необходимых технологических или теоретических инноваций, чтобы воплотить мечту в реальность.
В то же время мощные преимущества, которые предлагают сверхпроводники, предполагают широкий спектр нынешних и будущих приложений в области электроэнергетики, транспорта, медицинской визуализации и диагностики, ядерного магнитного резонанса (ЯМР), промышленной обработки, высоких энергий. физика, беспроводная связь, контрольно-измерительные приборы, сенсоры, радары, высокопроизводительные вычисления и даже криогеника.
В дополнение к приложениям на магнитной подвеске, МРТ и ускорителям частиц, о которых мы упоминали ранее, сверхпроводники в настоящее время коммерчески используются в ЯМР-спектроскопии, ключевом инструменте для биотехнологии, геномики, фармацевтических исследований и материаловедения. Промышленность также применяет их в магнитном процессе для отделения каолиновой глины, распространенного наполнителя в бумажных и керамических изделиях.
Что касается будущего, если исследователи и производители смогут преодолеть ограничения стоимости, охлаждения, надежности и приемлемости сверхпроводников, предела нет. Некоторые рассматривают «зеленые» технологии, такие как ветряные мельницы, как следующий шаг к более широкому принятию и применению технологии, но вырисовываются более широкие возможности.
Кто знает? Возможно, будущий читатель прочитает эту статью на компьютере, оснащенном процессорами со скоростью света, подключенной к сети, питаемой термоядерными реакторами, - и все благодаря сверхпроводимости.
Да здравствует разница
Сверхпроводники могут похвастаться более чем нулевым удельным сопротивлением; они также обеспечивают чрезвычайно высокую плотность тока, исключительно низкое сопротивление на высоких частотах, очень низкую дисперсию сигнала и высокую чувствительность к магнитному полю. Они исключают приложенные извне магнитные поля, демонстрируют необычное квантовое поведение и способны передавать сигналы со скоростью, близкой к скорости света. Эта комбинация факторов эффективно переписывает правила для электромагнитной промышленности и предлагает множество возможных инноваций, включая улучшенную передачу, производство и хранение электроэнергии; меньшие по размеру и более мощные магниты для двигателей; современное медицинское оборудование; улучшенные микроволновые компоненты для связи и военных применений; значительно усиленные датчики; и использование магнитных полей для удержания заряженных частиц.
Часто задаваемые вопросы
Что такое сверхпроводимость объяснить?
Сверхпроводимость - это явление, при котором определенные материалы позволяют электронам свободно проходить через них с нулевым сопротивлением. Это означает, что электричество может проходить через эти материалы без потери энергии, что делает их чрезвычайно эффективными проводниками.