Co to jest nadprzewodnictwo? – Techniki

Co to jest nadprzewodnictwo?  - Techniki 1

Nadprzewodnictwo to fajna cz─Ö┼Ť─ç fizyki, kt├│ra ma zastosowanie w wielu czynnikach naszego ┼╝ycia. Gdyby naukowcom uda┼éo si─Ö odkry─ç nadprzewodnik temperatury i ci┼Ťnienia w pomieszczeniu, zrewolucjonizowa┼éoby to technologi─Ö. Niestety okaza┼éo si─Ö to bardzo trudnym zadaniem i mo┼╝e w og├│le nie by─ç mo┼╝liwe.

Co to jest nadprzewodnictwo?

Przewodnik elektryczny to materia┼é, kt├│ry mo┼╝e przewodzi─ç pr─ůd. Ka┼╝dy materia┼é ma sw├│j w┼éasny op├│r elektryczny, kt├│ry jest miar─ů jego oporu wobec przep┼éywu pr─ůdu elektrycznego. Materia┼é o wysokiej rezystancji jest s┼éabym przewodnikiem i na odwr├│t.

Nadprzewodnictwo to zjawisko fizyczne, w kt├│rym materia┼é ma zerowy op├│r elektryczny. W tym stanie istnieje wiele interesuj─ůcych i przydatnych efekt├│w. Nadprzewodnik nie maj─ůcy rezystancji oznacza, ┼╝e ÔÇőÔÇőpr─ůd elektryczny mo┼╝e przep┼éywa─ç przez niego bez utraty energii lub podgrzewania. Mo┼╝e to pozwoli─ç na doskonale efektywne przesy┼éanie i magazynowanie energii.

Nadprzewodniki mog─ů r├│wnie┼╝ tworzy─ç wyj─ůtkowo silne magnesy, czego przyk┼éady mo┼╝na znale┼║─ç w maszynach MRI i akceleratorach cz─ůstek. Eksperymenty wykaza┼éy, ┼╝e pr─ůdy elektryczne w tych magnesach mog─ů utrzymywa─ç si─Ö przez lata bez ┼╝adnego mierzalnego spadku si┼éy. Badania sugeruj─ů, ┼╝e pr─ůd by┼éby stabilny przez co najmniej 100 000 lat, przy czym niekt├│re szacunki przewiduj─ů, ┼╝e b─Ödzie on w stanie przetrwa─ç d┼éu┼╝ej ni┼╝ szacowany czas ┼╝ycia Wszech┼Ťwiata.

Po umieszczeniu nad magnesem nadprzewodniki tworz─ů r├│wne pole magnetyczne, kt├│re odpycha magnes. Pozwala to nadprzewodnikom idealnie lewitowa─ç nad lub pod magnesem, a nawet wzd┼éu┼╝ toru magnes├│w.

Wymagania dotycz─ůce nadprzewodnictwa

Materia┼é zaczyna nadprzewodzi─ç dopiero poni┼╝ej pewnej temperatury, kiedy jego op├│r elektryczny nagle spada do zera. Niestety, wszystkie znane nadprzewodniki staj─ů si─Ö nadprzewodnikami dopiero w skrajnie niskich temperaturach. Nadprzewodnik wysokotemperaturowy definiuje si─Ö jako materia┼é, kt├│ry zachowuje si─Ö jak nadprzewodnik powy┼╝ej temperatury ciek┼éego azotu (73 K lub -200 C). Dok┼éadna temperatura, w kt├│rej op├│r elektryczny materia┼éu spada do zera, nazywana jest temperatur─ů krytyczn─ů.

Wskaz├│wka: szczeg├│lnie zimne elementy fizyki s─ů zwykle mierzone w kelwinach (K). Jeden kelwin odpowiada jednemu stopniowi Celsjusza, ale skala Kelvina zaczyna si─Ö od zera absolutnego, czyli -273,15 ┬░ C.

Najwy┼╝szym odkrytym nadprzewodnikiem temperaturowym od 2020 r. Jest Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, kt├│rego temperatura krytyczna wynosi 138 K lub -135 ┬░ C przy ci┼Ťnieniu jednej atmosfery.

Temperatura nie jest jedynym wa┼╝nym czynnikiem wp┼éywaj─ůcym na nadprzewodnictwo, ci┼Ťnienie r├│wnie┼╝ odgrywa rol─Ö w wielu nadprzewodnikach. Siarkowod├│r (H2S) ma temperatur─Ö krytyczn─ů zaledwie 203 K (-70 ┬░ C), a dekawodzianu lantanu (LAH10) ma temperatur─Ö krytyczn─ů 250 K (-23 ┬░ C). Niestety, aby materia┼éy te sta┼éy si─Ö nadprzewodz─ůce, musz─ů znajdowa─ç si─Ö pod niewiarygodnie wysokim ci┼Ťnieniem, przy czym H2S wymaga ci┼Ťnienia 986,923 atmosfer, a LaH10 wymaga. 1677,770 atmosfer.

Wskaz├│wka: ci┼Ťnienie w tej skali jest zwykle mierzone w GPa lub gigapaskalach, przy czym liczby wynosz─ů odpowiednio 100 GPa i 170 GPa. Aby uczyni─ç t─Ö warto┼Ť─ç bardziej zrozumia┼é─ů, zamieniono j─ů na atmosfery. Jedna atmosfera ci┼Ťnienia to ┼Ťrednie ci┼Ťnienie powietrza na poziomie morza na Ziemi. Dla por├│wnania, ci┼Ťnienie w najg┼é─Öbszym punkcie ocean├│w na Ziemi, w g┼é─Öbi Challenger Deep w rowie Mariany, wynosi 1071 atmosfer na wysoko┼Ťci 10 994 metr├│w poni┼╝ej poziomu morza.

Potencjalne przyszłe zastosowania nadprzewodników do temperatury pokojowej

Termin nadprzewodnik w temperaturze pokojowej jest u┼╝ywany w odniesieniu do potencjalnych przysz┼éych materia┼é├│w, kt├│re b─Öd─ů wykazywa─ç nadprzewodnictwo w temperaturach powy┼╝ej 273 K lub 0 ┬░ C. Aby sta┼éy si─Ö szczeg├│lnie przydatne w prawdziwym ┼Ťwiecie, materia┼éy te musia┼éyby by─ç r├│wnie┼╝ nadprzewodz─ůce pod ci┼Ťnieniem jednej atmosfery lub w jej pobli┼╝u.

Nadprzewodnik dzia┼éaj─ůcy w temperaturze pokojowej pom├│g┼éby zmniejszy─ç ┼Ťwiatowe problemy energetyczne, prawie eliminuj─ůc energi─Ö elektryczn─ů tracon─ů podczas transmisji na du┼╝e odleg┼éo┼Ťci przez linie energetyczne. Umo┼╝liwi┼éyby tak┼╝e szybsze komputery i urz─ůdzenia pami─Öci masowej wraz z bardziej czu┼éymi czujnikami naukowymi. Znacznie ta┼äsze by┼éoby uruchamianie super silnych magnes├│w u┼╝ywanych w urz─ůdzeniach takich jak akceleratory cz─ůstek, maszyny MRI, prototypowe reaktory do fuzji j─ůdrowej i poci─ůgi maglev, poniewa┼╝ magnesy nie wymaga┼éyby ciek┼éego azotu do wystarczaj─ůcego ch┼éodzenia nadprzewodnika.