34.6: Superconductors ya juu-joto

Last updated
Save as PDF

Page ID: 183116

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Tambua superconductors na matumizi yao.
Jadili haja ya superconductor high-T _c.

Superconductors ni vifaa na resistivity ya sifuri. Wao ni ukoo kwa umma kwa sababu ya maombi yao ya vitendo na wametajwa kwa pointi kadhaa katika maandiko. Kwa sababu upinzani wa kipande cha superconductor ni sifuri, hakuna hasara za joto kwa mikondo kupitia kwao; hutumika katika sumaku zinazohitaji mikondo ya juu, kama vile katika mashine za MRI, na zinaweza kupunguza hasara za nishati katika uhamisho wa nguvu. Lakini superconductors wengi lazima kilichopozwa kwa joto tu kelvin chache juu ya sifuri kabisa, utaratibu wa gharama kubwa kupunguza matumizi yao ya vitendo. Katika miaka kumi iliyopita, maendeleo makubwa yamefanywa katika kuzalisha vifaa vinavyokuwa superconductors kwa joto la juu. Kuna matumaini kwamba superconductors joto la kawaida linaweza kufanywa siku moja.

Superconductivity iligunduliwa kwa ajali mwaka 1911 na mwanafizikia wa Uholanzi H. Kamerlingh Onnes (1853—1926) alipotumia heliamu kiowevu ili kupoza zebaki. Onnes alikuwa mtu wa kwanza kwa liquefy heli miaka michache mapema na alishangaa kuchunguza resistivity ya kondakta mediocre kama zebaki kushuka kwa sifuri katika joto la 4.2 K. Sisi kufafanua joto ambayo na chini ambayo nyenzo inakuwa superconductor kuwa muhimu joto, uliotajwa na$T_{c}$. (Angalia Kielelezo$\PageIndex{1}$.) Maendeleo katika kuelewa jinsi na kwa nini nyenzo ikawa superconductor ilikuwa polepole, na nadharia ya kwanza yenye nguvu inayokuja mwaka wa 1957. Vipengele vingine vingine pia vilipatikana kuwa superconductors, lakini wote walikuwa$T_{c}$ chini ya$10 K$, ambayo ni ghali kudumisha. Ingawa Onnes alipokea tuzo ya Nobel mwaka wa 1913, ilikuwa hasa kwa kazi yake na heliamu kiowevu.

Grafu inaonyesha resistivity kwenye mhimili wima na joto kwenye mhimili usio na usawa. Resistivity huenda kutoka sifuri hadi sifuri hatua moja tano ohms na joto huenda kutoka nne hatua moja hadi nne pointi nne kelvin. Curve huanza saa chini ya kumi kwa minus ohms tano tu chini ya nne uhakika mbili kelvin, kisha anaruka juu katika nne hatua mbili kelvin kwa karibu sifuri uhakika moja ohms mbili. Kama joto kuongezeka zaidi, resistivity climbs zaidi au chini linearly mpaka kufikia kuhusu sifuri uhakika moja ohms nne katika joto tu juu ya nne uhakika kelvin nne. — Kielelezo$\PageIndex{1}$: Grafu ya resistivity dhidi ya joto kwa superconductor inaonyesha mpito mkali kwa sifuri kwenye joto kali$T_{c}$. High joto superconductors na$T_{c}$ lithibitishwe ya kubwa kuliko$25 K$, vizuri juu ya$77 K$ joto urahisi mafanikio ya nitrojeni kioevu.

Mwaka 1986, mafanikio yalitangazwa — kiwanja cha kauri kilionekana kuwa na kisichokuwa$T_{c}$ cha kawaida cha 35 K. Ilionekana kama joto la juu sana linaweza iwezekanavyo, na mwanzoni mwa 1988 kauri nyingine (hii ya thallium, kalsiamu, bariamu, shaba, na oksijeni) ilionekana kuwa na$T_{c} = 125 K$ (tazama Kielelezo$\PageIndex{2}$.) Uwezo wa kiuchumi wa makondakta kamili kuokoa nishati ya umeme ni kubwa kwa ajili$T_{c}$ ya juu$77 K$, kwa kuwa hiyo ni joto la nitrojeni kioevu. Ingawa heliamu ya kioevu ina kiwango cha kuchemsha$4 K$ na inaweza kutumika kutengeneza vifaa vya superconducting, inachukua dola 5 kwa lita. Majipu ya nitrojeni ya maji machafu$77 K$, lakini gharama tu kuhusu $0.30 kwa lita. Kulikuwa na euphoria ya jumla katika ugunduzi wa superconductors hizi za kauri tata, lakini hivi karibuni ilipungua kwa ugumu mkubwa wa kuunda katika waya zinazoweza kutumika. Matumizi ya kwanza ya kibiashara ya superconductor ya juu ya joto ni katika chujio cha elektroniki kwa simu za mkononi. Superconductors ya juu-joto hutumiwa katika vifaa vya majaribio, na wanajitahidi kutafiti, hasa katika programu nyembamba za filamu.

Takwimu inaonyesha sumaku ya umbo la kifungo inayozunguka juu ya puck superconducting. Baadhi ya ukungu wispy inapita kutoka puck. — Kielelezo$\PageIndex{2}$: Tabia moja ya superconductor ni kwamba haijumuishi flux magnetic na, hivyo, repels sumaku nyingine. Sumaku ndogo iliyopigwa juu ya superconductor ya juu-joto, ambayo imepozwa na nitrojeni ya kioevu, inatoa ushahidi kwamba nyenzo ni superconducting. Wakati nyenzo zimepungua na zinakuwa zinafanya, flux ya magnetic inaweza kupenya, na sumaku itapumzika juu yake. (mikopo: Saperaud)

Utafutaji unaendelea kwa$T_{c}$ superconductors ya juu zaidi, wengi wa keramik tata na ya kigeni ya shaba ya oksidi, wakati mwingine ikiwa ni pamoja na strontium, zebaki, au yttrium pamoja na bariamu, kalsiamu, na vipengele vingine. Joto la joto (kuhusu$293 K$) litakuwa bora, lakini joto lolote karibu na joto la kawaida ni la bei nafuu kuzalisha na kudumisha. Kuna ripoti ya kuendelea ya$T_{c}$'s juu$200 K$ na baadhi katika maeneo ya jirani ya$270 K$. Kwa bahati mbaya, uchunguzi huu si mara kwa mara reproducible, na sampuli kupoteza asili yao superconducting mara moja moto na recooled (cycled) mara chache (angalia Kielelezo$\PageIndex{3}$). Wao sasa huitwa USOs au vitu visivyojulikana vya superconducting, nje ya kuchanganyikiwa na kukataa kwa sampuli fulani kuonyesha juu$T_{c}$ hata ingawa zinazozalishwa kwa njia sawa na wengine. Reproducibility ni muhimu kwa ugunduzi, na watafiti ni justifiably kusita kudai mafanikio wao wote kutafuta. Muda utasema kama USOs ni halisi au quirk ya majaribio.

Nadharia ya superconductors ya kawaida ni ngumu, inayohusisha athari za quantum kwa elektroni zilizojitenga sana zinazosafiri kupitia nyenzo. Electroni wanandoa kwa namna ambayo inawawezesha kupata kupitia nyenzo bila kupoteza nishati, na kuifanya kuwa superconductor. High-$T_{c}$ superconductors ni vigumu zaidi kuelewa kinadharia, lakini wanadharia wanaonekana kuwa karibu na nadharia yenye nguvu. Ugumu wa kuelewa jinsi elektroni zinaweza kuvuruga kupitia vifaa bila kupoteza nishati katika migongano ni kubwa zaidi kwenye joto la juu, ambapo atomi za vibrating zinapaswa kupata njiani. Wavumbuzi wa juu$T_{c}$ wanaweza kujisikia kitu sawa na kile mwanasiasa alichosema mara moja juu ya ushindi wa uchaguzi usiotarajiwa - “Nashangaa nini tulifanya haki?”

Kielelezo a ni grafu ya resistivity dhidi ya joto. Resistivity huenda kutoka sifuri hadi sifuri hatua sita milli ohm sentimita na joto huenda kutoka mia moja hadi mia tatu kelvin. Kuna curves tatu kwenye grafu. Curve ya kwanza huanza karibu na sifuri hatua moja milli ohm sentimita, kelvin mia moja, na huongezeka kwa mstari hadi sifuri hatua sita milli ohm sentimita, kelvin mia mbili na themanini. Curve pili ni katika resistivity sifuri kutoka 100 kelvin kwa karibu mia mbili na thelathini na tano kelvin, kisha anaruka moja kwa moja hadi sifuri hatua nne milli ohm sentimita, baada ya hapo huongezeka linearly na joto na mteremko sawa na Curve kwanza. Curve ya tatu ina hatua moja katika bala sifuri sifuri tano milli ohm sentimita saa takriban mia moja na thelathini kelvin, kisha inakuwa chanya na kuongezeka kimsingi linearly na mteremko huo kama Curve kwanza. Kielelezo b kinaonyesha muundo wa kiunzi kilichoundwa na fimbo. Katika kila vertex katika jukwaa kuna mpira ambao ni aidha nyeupe, nyekundu, zambarau, au buluu. Kila rangi inawakilisha aina tofauti ya atomi. Mipira nyeupe ni kubwa zaidi, halafu nyekundu, halafu ya zambarau, na mipira ya bluu ni ndogo zaidi. Mipira hupangwa kwa muundo wa utaratibu. Kutoka chini hadi juu tabaka za jukwaa hutengenezwa kutoka mipira nyeupe na nyekundu, kisha mipira nyekundu na ya bluu, kisha mipira ya zambarau, kisha tena mipira nyekundu na ya bluu, kisha hatimaye mipira nyeupe na nyekundu tena. Katika kila safu ya mtu binafsi mipira huunda mifumo mbalimbali ya gridi ya taifa. Muundo huu wa jukwaa huunda sura ya matofali na matofali kama hayo yanafanana juu yake na pengo kati ya matofali mawili. Matofali mawili yanaunganishwa pamoja na safu moja ya mipira ya bluu. — Kielelezo$\PageIndex{3}$: (a) Grafu hii, iliyotokana na makala katika Fizikia Leo, inaonyesha tabia ya sampuli moja ya superconductor ya juu-joto katika majaribio matatu tofauti. Katika kesi moja sampuli$T_{c}$ ilionyesha kuhusu$230 K$, wakati kwa wengine haikuwa superconducting kabisa. Ukosefu wa reproducibility ni mfano wa majaribio ya mbele na inakataza hitimisho la uhakika. (b) Mchoro huu wa rangi unaonyesha hali ngumu lakini ya utaratibu wa muundo wa kimiani wa kauri ya juu ya joto. (mikopo: sw:Cadmium, Wikimedia Commons)

Muhtasari

Superconductors ya juu-joto ni vifaa vinavyokuwa superconducting katika joto vizuri juu ya kelvin chache.
Joto kali$T_{c}$ ni joto chini ambayo nyenzo ni superconducting.
Baadhi superconductors$T_{c}$ high-joto na kuthibitishwa hapo juu$125 K$, na kuna taarifa ya$T_{c}$ 'S kama juu kama$250 K$.

faharasa

Superconductors: vifaa na resistivity ya sifuri

joto kali: joto ambalo na chini ambayo nyenzo inakuwa superconductor