ตัวนำยิ่งยวด: มันคืออะไร วัสดุและการใช้งาน

ตัวนำยิ่งยวด เป็นวัสดุที่สามารถนำไปสู่ ไฟฟ้า, โดยไม่ต้องเสนอใดๆ แนวต้านทันทีที่พวกเขาไปถึง a อุณหภูมิ ต่ำมากเรียกว่าอุณหภูมิวิกฤต นอกจากนี้ให้สร้างเส้นของ สนามแม่เหล็ก ไม่สามารถเจาะทะลุได้ ดังนั้นตัวนำยิ่งยวดจึงสามารถนำมาใช้เพื่อส่งเสริมการลอยตัวของแม่เหล็กได้

ดูด้วย: ตัวนำและฉนวน - เข้าใจความแตกต่างและลักษณะของแต่ละ of

วิธีการทำงานของตัวนำยิ่งยวด

ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดสามารถอธิบายได้โดย ฟิสิกส์ควอนตัม. ปรากฏการณ์นี้มีลักษณะเฉพาะโดย เอฟเฟกต์ไมส์เนอร์ซึ่งทำให้เส้นสนามแม่เหล็กไม่สามารถทะลุผ่านวัสดุได้ ตัวนำยิ่งยวด ถ้าวัสดุเหล่านี้ถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าของพวกมัน อุณหภูมิวิกฤต

คุณ ตัวนำยิ่งยวดตัวแรก ที่โผล่ออกมาต้องแช่เย็นใน อุณหภูมิต่ำมาก. อย่างไรก็ตาม การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุใหม่ช่วยให้สามารถพัฒนาและสามารถแสดงความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้ ล่าสุดจากการศึกษาพบว่าวัสดุบางชนิดสามารถกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดใน อุณหภูมิใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อมมากอย่างไรก็ตาม การจะเกิดสิ่งนี้ขึ้นนั้นต้องอยู่ภายใต้ แรงกดดันมากสูง.

ความสัมพันธ์ระหว่างตัวนำยิ่งยวดกับอุณหภูมิคืออะไร? แม้ว่าคำตอบจะไม่ง่ายอย่างคำถาม แต่ให้พยายามทำความเข้าใจ: โลหะโดยทั่วไปคือ

ดีตัวนำ ไฟฟ้า เช่น ทองแดง เงิน และทอง ความสามารถดังกล่าวเกี่ยวข้องกับคุณ วัดของ ความต้านทาน, คืออะไร สุดๆต่ำ.

ในทางกลับกันความต้านทานต่ำของโลหะนั้นสัมพันธ์กับขนาดใหญ่ ปริมาณของ อิเล็กตรอน ฟรี, กับ ขาดสิ่งเจือปน (ในบริบทนี้ สิ่งเจือปนคืออะตอมของธาตุอื่นๆ ภายในตัวนำ) และกับ ลำดับของโครงสร้างผลึกนั่นคือวิธีที่ อะตอม พวกเขาอยู่ในตำแหน่งที่สัมพันธ์กัน

ถ้า ถูกความร้อน โลหะนำไฟฟ้าได้ไม่ดีนัก, โดยอาศัยอำนาจตาม เพิ่มขึ้นให้การสั่นสะเทือน ของอะตอม—การสั่นของอะตอมเหล่านี้ทำให้เกิดการชนกันของอิเล็กตรอนใน กระแสไฟฟ้าทำให้ขับลำบาก อย่างไรก็ตาม หากแช่เย็น โลหะจะเริ่มนำไฟฟ้าได้ง่ายกว่าที่อุณหภูมิห้อง และ หากเราคาดการณ์ความเย็นนี้ เราก็จะถึงจุดที่ไม่มีการต่อต้านการผ่านของ ไฟฟ้า.

นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ได้ตรวจสอบเหตุผลที่เกี่ยวข้องกับการหล่อเย็นของโลหะและค่าการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น เฮเกะKamerlinghออนเนส (พ.ศ. 2396-2469) โดยการทำให้เย็นตัวอย่าง มปรอท ที่อุณหภูมิ -269 องศาเซลเซียส ในขณะนั้น Onnes ตระหนักว่า ความต้านทานของ มปรอทกะทันหันกลายเป็นnull เมื่อถึงอุณหภูมินั้น

ประมาณ 20 ปีต่อมา นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน คาร์ลไมส์เนอร์ และ โรเบิร์ตอ็อคเซินเฟลด์ พบว่าตัวนำยิ่งยวดขัดขวางการเคลื่อนที่ของเส้นสนามแม่เหล็กภายใน

ในการทดลองพบว่าเมื่อตัวนำยิ่งยวดสัมผัสกับสนามแม่เหล็กภายนอก กระแสไฟฟ้าจะ เกิดขึ้นที่ด้านนอกทำให้เกิดสนามแม่เหล็กปรากฏบนพื้นผิวของตัวนำยิ่งยวดที่ตรงข้ามกับสนามแม่เหล็ก ภายนอก. ผ่านปรากฏการณ์นี้ ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าปรากฏการณ์ Meissner ซึ่งทำให้รถไฟลอยได้ เช่นเดียวกับกรณีของ maglev:

รถไฟ Maglev สามารถพัฒนาความเร็วได้ถึง 600 กม./ชม. โดยไม่ต้องสัมผัสพื้น

ประเภทของตัวนำยิ่งยวดและวัสดุของตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำยิ่งยวดเป็นชั้นของวัสดุที่แสดงการเปลี่ยนแปลงสถานะที่ทำให้พวกเขาถ่ายโอน ค่าไฟฟ้า โดยไม่มีฝ่ายค้าน ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะบอกว่าตัวนำยิ่งยวดทำมาจากอะไร แต่เป็นวัสดุต่างๆ ที่ใช้ในการผลิต จึงมีตัวนำยิ่งยวด:

• ทำจากองค์ประกอบทางเคมีบริสุทธิ์เช่นปรอท ตะกั่ว มันเป็น คาร์บอน;

• โดยธรรมชาติเช่น fullerenes, carbon nanotubes, graphene;

• เซรามิค;

• ทำจากที่แตกต่างกัน โลหะผสมเช่น ไนโอเบียม-ไททาเนียม เจอร์เมเนียม-ไนโอเบียม

ดูด้วย: วงจรไฟฟ้า วิธีการทำงาน องค์ประกอบ การเชื่อมต่อไฟฟ้า ฯลฯ

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีของตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำยิ่งยวดมีประโยชน์ในวงจรไฟฟ้าประเภทใดก็ได้ เพื่อให้มีมากขึ้น มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ในขณะที่เราไม่มีตัวนำที่อุณหภูมิห้อง การใช้งานหลักในปัจจุบัน เหล่านี้คือ:

• รถไฟแม็กเลฟ – รถไฟประเภทนี้ใช้เอฟเฟกต์ Meissner ที่มีอยู่ในตัวนำยิ่งยวดในการลอยตัว ดังนั้นจึงพัฒนาความเร็วสูงและมีประสิทธิภาพมากกว่ารถไฟทั่วไป

• อุปกรณ์เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ – ภายในอุปกรณ์เหล่านี้ มีขดลวดที่ทำจากโลหะผสมซึ่งเมื่อถูกทำให้เย็นลง จะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งสามารถผลิตสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงได้

• การผลิตไฟฟ้า – ในโรงไฟฟ้าพลังน้ำ เทอร์โมอิเล็กทริก นิวเคลียร์ หรือแม้แต่พลังงานลม จำเป็นต้องแปลงพลังงานกล ในทางไฟฟ้าจึงใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งขดลวดทำจากโลหะผสมที่มีตัวนำยิ่งยวดเมื่อเหมาะสม หวัด

โดย Rafael Hellerbrock
ครูฟิสิกส์

ที่มา: โรงเรียนบราซิล - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/os-supercondutores.htm