Quello che vedi qui è l'effetto Meissner, o l'espulsione di un campo magnetico da un superconduttore mentre passa al suo stato superconduttore. Immagine per gentile concessione del Laboratorio Nazionale Argonne Una delle regole non scritte della fisica dice che non puoi ottenere qualcosa per niente; nella migliore delle ipotesi, è possibile gestire un tasso di cambio equo tra quanta energia si pompa in un sistema e quanta ne si estrae.
Considera la tua auto:in media, solo il 12,6 percento dell'energia chimica che immetti a $ 3,50 in più (o qualunque cosa tu paghi) per gallone si traduce in movimento. Il resto va a superare la resistenza, inerzia e altre inefficienze meccaniche, con un enorme 62,4 percento consumato dall'attrito del motore, pompe ad aria e calore di scarto [fonte:California Energy Commission].
Il calore si sviluppa in tutti i tipi di sistemi. Come un malversatore di energia, sfiora la parte superiore delle reazioni chimiche, sistemi fisici e circuiti elettrici. Che sia la conseguenza della perdita di efficienza o la sua causa, il risultato è che stai subendo una perdita nell'affare. Il calore è il motivo per cui non possiamo raggiungere il moto perpetuo (o il movimento che non cessa mai).
È anche il motivo per cui le centrali elettriche devono amplificare la corrente ad alta tensione quando la trasmettono attraverso il paese:per superare l'energia persa per resistenza -- la controparte elettrica dell'attrito. Immagina se potessimo trovare un modo per rimuovere la resistenza, eliminando così la perdita di energia:nessun costo di servizio, niente tasse e niente pizzo. Energia in =Energia in uscita.
Entra nei superconduttori. Se le tre leggi della termodinamica dicono che non esiste una cosa come un pranzo gratis, poi i superconduttori hanno la loro torta e la mangiano, pure. Invia corrente attraverso un filo superconduttore, e non perde energia per la resistenza. Piegare il filo in un anello, e manterrà la carica a tempo indeterminato. levitalo sopra un magnete, e il sole divorerà la terra prima che cada.
Subito dopo la sua scoperta nel 1911 dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes e dai suoi collaboratori, Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim e Gilles Holst, la superconduttività ha ispirato sogni di trasmissione elettrica senza perdite. Sfortunatamente, c'era un problema.
I superconduttori richiedono temperature molto basse, nell'ordine di 39 kelvin (meno 234 C, meno 389 F) per i superconduttori convenzionali. Il filo di mercurio solido utilizzato da Kamerlingh Onnes richiedeva temperature inferiori a 4,2 K (meno 269,0 C, meno 452.1 F). Anche i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura funzionano solo al di sotto di 130 K (meno 143 C, meno 225,7 F).
A peggiorare le cose, i superconduttori lasciano il loro stato senza resistenza se sono esposti a un campo magnetico troppo grande oa troppa elettricità.
non tutto era perduto, però. Superconduttori moderni, come niobio-titanio (NbTi), hanno alzato l'asticella su quanto carico magnetico possono tollerare. I loro campi magnetici superiori li rendono utili in alcuni treni maglev, così come negli acceleratori di protoni, come quello del Fermilab, o macchine per risonanza magnetica, la loro applicazione più comune. Nel futuro prossimo, i ricercatori sperano di usarli nelle tecnologie energetiche emergenti, come sistemi di accumulo di energia o turbine eoliche ad alta efficienza.
Prima di esaminare i modi scioccanti in cui i superconduttori eludono la resistenza, rivediamo come funziona la resistenza.
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Una delle applicazioni più interessanti dei superconduttori devono essere i treni a levitazione magnetica. Pedala in uno in questo video "Extreme Engineering". Scoperta Alcuni direttori sono migliori di altri; la chiave è l'organizzazione. I buoni conduttori dei treni mantengono le ferrovie in funzione in orario - e Arturo Toscanini ha mantenuto l'Orchestra Sinfonica della NBC a suonare in tempo - districando elementi complessi in sistemi ordinati.
I buoni conduttori elettrici mostrano un'organizzazione altrettanto armoniosa ma devono fare i conti con la resistenza. Infatti, la resistenza è ciò che separa i conduttori convenzionali dai loro cugini superpotenti.
Pensa agli elettroni liberi in un tipico conduttore come persone che si aggirano intorno a un terminal ferroviario. Una corrente applicata è come la campana che annuncia l'arrivo del treno:in un istante, i singoli movimenti si trasformano in un unico, movimento unito verso le piattaforme - o lo farebbe, se non fosse per pochi piantagrane che inciampano, urtare, tremolare alle edicole o rifiutarsi di fare strada sulla scala mobile. Grazie alla resistenza che forniscono, alcuni viaggiatori perdono il treno, e la corrente perde energia. Questa è la vita in Conductor Terminal.
Ora, sostituisci quei viaggiatori con un flash mob sotto copertura. Al campanello, collaborano ed eseguono un sincronizzato, danza coreografata attraverso il terminale. Nessuno perde il treno, e sono tutti meno stanchi quando arrivano. Questa è la meraviglia del viaggio nella Superconductor Station.
Prima di studiare i passaggi di questa particella pas de deux, però, facciamo un passo indietro e rivediamo come la resistenza confonde i materiali banali. Inizieremo in modo semplice e aggiungeremo complessità man mano che procediamo.
Sebbene ci siano eccezioni, quando diciamo corrente elettrica , di solito intendiamo un flusso di elettroni che attraversa un mezzo. Il modo in cui un materiale conduce l'elettricità è correlato alla facilità con cui gli atomi che lo compongono donano elettroni. Gli isolanti sono avari, mentre i macchinisti spendono i loro come marinai in licenza a terra.
Gli elettroni donati, ora conosciuto come elettroni di conduttanza , non orbitano attorno ai singoli atomi ma fluttuano liberamente attraverso il conduttore, come i nostri pendolari del treno sopra. Quando viene applicata una corrente, scorrono attraverso il materiale e trasmettono elettricità.
Un conduttore è costituito da un reticolo di atomi; per far scorrere l'elettricità, gli elettroni devono muoversi attraverso questo reticolo con la minor interferenza possibile. Come un mucchio di palline da tennis lanciate in una palestra nella giungla, le probabilità sono buone che alcuni elettroni colpiscano il reticolo. Le probabilità di interferenza aumentano se le aree sono deformate. Così, è facile vedere come i difetti dei materiali costituiscano una causa di resistenza nei conduttori.
In questa analogia con la palestra della giungla, gli atomi sono rappresentati dalle intersezioni di aste metalliche. In Attualità, il reticolo di un conduttore non è rigido; i suoi atomi vibrano, e le interazioni che li collegano oscillano, quindi è meglio pensarlo come una griglia di molle. Cosa fa vibrare questi atomi? Più alta è la temperatura, più vibra il reticolo, e più è probabile che le nostre palline da tennis si imbattono in interferenze. Ricalca la seconda grande fonte di resistenza al nostro vecchio amico, calore.
Ciò solleva la domanda:se il problema è il calore, potrebbe non essere il freddo la risposta? Rilassati per un secondo:ci arriveremo nella prossima sezione.
Se il calore aumenta la resistenza, poi abbassando il termostato dovrebbe diminuirlo, Giusto? Bene, lo fa, entro i limiti. Nei normali conduttori, la resistenza diminuisce quando il termometro scende, ma non scompare mai. I superconduttori funzionano in modo leggermente diverso.
Quando un superconduttore si raffredda, segue una curva simile di resistenza che diminuisce gradualmente fino a raggiungere il suo particolare temperatura critica ; poi, bruscamente, ogni resistenza scompare. È come se la resistenza stesse lentamente perdendo un tiro alla fune con la conduttanza e poi, frustrato, lascia andare la corda. In realtà, la sostanza subisce a transizione di fase . Come il ghiaccio che si scioglie nell'acqua, il materiale convenzionale assume un nuovo stato, uno con resistenza nulla.
Per capire cosa sta succedendo qui, dobbiamo apportare alcune modifiche alla nostra palestra nella giungla atomica. Nello specifico, dobbiamo iniziare a prendere in considerazione il magnetismo.
Quando gli atomi di un conduttore cedono elettroni, diventano ioni carichi positivamente, provocando un'attrazione netta tra il reticolo atomico e gli elettroni carichi negativamente che lo attraversano. In altre parole, come se vibrazioni e deformazioni non bastassero, le palline da tennis che lanciamo nella nostra palestra della giungla oscillante sono calamite. Potresti presumere che ciò aumenterebbe le loro possibilità di incontrare resistenza mentre attraversano la nostra griglia traballante, e avresti ragione -- per normali direttori d'orchestra. Superconduttori, però, usarlo a loro vantaggio.
Immagina un paio di palline da tennis lanciate attraverso la griglia, uno caldo sulla coda dell'altro. Quando la prima pallina passa attraverso il reticolo caricato positivamente, attira verso di sé gli atomi circostanti. Raggruppando, questi atomi creano un'area locale di maggiore carica positiva, che aumenta la forza che spinge in avanti il secondo elettrone. Di conseguenza, l'energia spesa per passare, in media, pareggia.
Come ballerini quadrati, queste coppie di bottaio si formano e si disgregano costantemente, ma l'effetto complessivo si perpetua lungo la linea, consentendo agli elettroni di sfrecciare attraverso il superconduttore come un fulmine unto.
Le coppie di Cooper prendono il nome dal fisico Leon N. C oper chi, con Giovanni B ardeen e John Robert S più schiavo, avanzato il primo modello di successo che spiega la superconduttività nei superconduttori convenzionali. Il loro successo, Conosciuto come il Teoria BCS in loro onore, valse loro il Premio Nobel per la fisica nel 1972.
La superconduttività si è rifiutata di rimanere bloccata a lungo, però; subito dopo che la teoria BCS ha raggiunto la trazione nel campo, i ricercatori hanno iniziato a scoprire altri superconduttori, come gli ossidi di rame superconduttori ad alta temperatura, che hanno infranto il modello BCS.
In questa prossima sezione, vedremo cosa distingue questi superconduttori esotici dal resto.
Onda permanenteLa meccanica quantistica ci dice che gli elettroni mostrano proprietà sia delle particelle che delle onde. Così, per concettualizzare la resistenza e la superconduttività, devi immaginare gli elettroni come onde che si propagano attraverso un materiale, come increspature su uno stagno. La resistenza provocata dalle vibrazioni degli ioni eccitati è simile ai sassi lanciati in quel lago, creando contro increspature che interferiscono o annullano l'onda dell'elettrone. La differenza tra conduttori normali e superconduttori risiede nel grado di organizzazione coinvolto. Nei superconduttori, tutti gli elettroni assumono una velocità e una direzione quasi identiche, formando un unico, onda organizzata che resiste all'interruzione.
A seconda di come si affetta la torta, ci sono molti tipi di superconduttori o solo due. Dal punto di vista di come si comportano nei campi magnetici, però, gli scienziati comunemente li classificano in due gruppi.
UN Superconduttore di tipo I di solito è fatto di un metallo puro. Quando raffreddato al di sotto della sua temperatura critica, un tale materiale presenta una resistività elettrica pari a zero e si visualizza perfettamente diamagnetismo , il che significa che i campi magnetici non possono penetrarlo mentre è nello stato superconduttore.
Superconduttori di tipo II sono solitamente leghe, e il loro diamagnetismo è più complesso. Per capire perché, dobbiamo osservare come i superconduttori rispondono al magnetismo.
Proprio come ogni superconduttore ha una temperatura critica che crea o interrompe il suo stato di superconduttore, ciascuno è anche soggetto a a campo magnetico critico . Un superconduttore di tipo I entra ed esce dallo stato superconduttore a una di queste soglie, ma un materiale di tipo II cambia stato due volte, a due diverse soglie di campo magnetico.
La distinzione tra materiali di tipo I e di tipo II assomiglia alla differenza tra ghiaccio secco (anidride carbonica solida) e ghiaccio d'acqua. Entrambi i solidi si raffreddano bene, ma gestiscono il calore in modo diverso:il ghiaccio d'acqua si scioglie in uno stato misto, acqua ghiacciata, considerando che il ghiaccio secco sublima :A pressione normale, passa direttamente da solido a gas.
Per quanto riguarda il magnetismo, un superconduttore di tipo I è come il ghiaccio secco:quando esposto al suo campo critico, la sua superconduttività si spegne all'istante. Un tipo II è più versatile.
Mentre all'interno di un campo debole, un materiale di tipo II mostra un comportamento simile a un materiale di tipo I, proprio come H 2 O e CO 2 entrambi si raffreddano efficacemente mentre sono allo stato solido. Alza il campo magnetico sopra una certa soglia, però, e il materiale si riorganizza in uno stato misto - a stato di vortice in cui piccoli vortici di corrente superconduttiva scorrono attorno a isole di materiale normale. Come acqua ghiacciata, fa ancora abbastanza bene il suo lavoro. Se l'intensità del campo magnetico aumenta, però, le isole della normalità crescono insieme, distruggendo così i vortici di superconduttività circostanti.
Cosa significa questo stato misto per il magnetismo? Abbiamo discusso di cosa succede quando un superconduttore si riscalda. Ora, guardiamolo dall'altra parte.
Nella loro normalità, stati caldi, sia i materiali di tipo I che di tipo II consentono ai campi magnetici di fluire attraverso di essi, ma mentre si raffreddano verso le loro temperature critiche, espellono sempre più questi campi; gli elettroni nel materiale creano correnti parassite che producono un controcampo, un fenomeno noto come Effetto Meissner .
Quando raggiungono la loro temperatura critica, I superconduttori di tipo I eliminano qualsiasi campo magnetico rimanente come tanti compagni di stanza mortificati. A seconda della forza del campo magnetico in cui esistono, I campi di tipo II potrebbero fare lo stesso o potrebbero diventare un po' appiccicosi. Se sono in a stato di vortice , il campo magnetico che scorre ancora attraverso le isole di materiale normale nei loro flussi superconduttori può rimanere bloccato, un fenomeno noto come blocco del flusso (vedi barra laterale) Il flusso magnetico è una misura della quantità di campo magnetico che passa attraverso una data superficie.
Poiché possono rimanere superconduttori in questo campo magnetico più forte, I materiali di tipo II come il niobio-titanio (NbTi) sono buoni candidati per il tipo di magneti superconduttori trovati in, dire, L'acceleratore di protoni del Fermilab o nelle macchine per la risonanza magnetica.
Quando le rane volanoNel 2000, Andre Geim e Sir Michael Berry hanno vinto il Premio Ig Nobel per la fisica facendo levitare una rana, oltre ad acqua e nocciole, utilizzando un superconduttore e diamagnetismo. Sebbene tendiamo a pensare all'acqua e ai tessuti organici come non magnetici, alcuni elementi e la maggior parte dei composti mostrano un effetto repulsivo molto debole se posti in un forte campo magnetico. I fisici usano anche il diamagnetismo per far levitare stabilmente i superconduttori. Il trucco sta nei superconduttori di tipo II come l'ossido di ittrio bario e rame, che consentono il passaggio di un certo campo magnetico e lo fissano in posizione. Il video della "levitazione quantistica" diventato virale sul web nel 2011 esemplificava questo tipo di levitazione, in cui magnetismo e diamagnetismo si combinano per tenere il levitatore perfettamente fermo, a differenza dei materiali di tipo I, che levitano costantemente ma oscillano, o ferromagneti, che non può levitare stabilmente senza un aiuto esterno.
Le applicazioni industriali e scientifiche dei superconduttori sono limitate dalle speciali condizioni di temperatura che richiedono per far funzionare il loro mojo elettromagnetico, quindi ha senso classificare i materiali in base alle loro temperature critiche e ai requisiti di pressione.
Centinaia di sostanze, inclusi 27 elementi metallici - come alluminio, guida, mercurio e stagno - diventano superconduttori a basse temperature e pressioni. Altri 11 elementi chimici, incluso il selenio, silicio e uranio - transizione a uno stato superconduttivo a basse temperature e alte pressioni [fonte:Encyclopaedia Britannica].
Fino al 1986, quando i ricercatori IBM Karl Alexander Mulller e Johannes Georg Bednorz hanno inaugurato l'era del superconduttori ad alta temperatura con un ossido di bario-lantanio-rame che ha raggiunto una resistenza zero a 35 K (meno 238 C, meno 397 F), la più alta temperatura critica raggiunta da un superconduttore misurata 23 K (meno 250 C, meno 418 F). Tale superconduttori a bassa temperatura raffreddamento richiesto da elio liquido, che era difficile da produrre e tendeva a rompere i budget [fonte:Haldar e Abetti]. I superconduttori ad alta temperatura portano l'intervallo di temperatura fino a circa 130 K (meno 143 C, meno 226 F), il che significa che possono essere raffreddati usando azoto liquido prodotto a basso costo dall'aria [fonte:Mehta].
Sebbene i fisici comprendano i meccanismi che governano i superconduttori a bassa temperatura, che seguono il modello BCS, i superconduttori ad alta temperatura rimangono enigmatici [fonte:CERN]. Il Santo Graal sarebbe ottenere un materiale con resistenza zero a temperatura ambiente, ma finora quel sogno rimane sfuggente. Forse non si può fare o, forse, come altre rivoluzioni scientifiche, si trova appena oltre l'orizzonte, in attesa della necessaria innovazione tecnologica o teorica per realizzare il sogno.
Intanto, i potenti vantaggi offerti dai superconduttori suggeriscono un'ampia gamma di applicazioni presenti e future nei settori dell'energia elettrica, trasporto, diagnostica per immagini e diagnostica, risonanza magnetica nucleare (RMN), lavorazione industriale, fisica delle alte energie, comunicazioni senza fili, strumentazione, sensori, radar, informatica di fascia alta e persino criogenia [fonte:CCAS].
Oltre al maglev, Applicazioni MRI e acceleratori di particelle di cui abbiamo parlato prima, i superconduttori sono attualmente utilizzati commercialmente nella spettroscopia NMR, uno strumento chiave per le biotecnologie, genomica, ricerca farmaceutica e scienze dei materiali. L'industria li applica anche in un processo magnetico per la separazione dell'argilla caolino, un riempitivo comune nei prodotti cartacei e ceramici.
Quanto al futuro, se ricercatori e produttori possono superare i limiti di costo dei superconduttori, refrigerazione, affidabilità e accettazione, il cielo è il limite. Alcuni vedono tecnologie verdi, come i mulini a vento, come il prossimo passo verso una più diffusa accettazione e applicazione della tecnologia, ma si profilano possibilità più grandi.
Chi lo sa? Forse un futuro lettore esaminerà proprio questo articolo su un computer dotato di processori quasi alla velocità della luce, collegato a una rete alimentata da reattori a fusione, tutto grazie alla superconduttività.
Vive La DiférenceI superconduttori vantano una resistività più che nulla; offrono inoltre una densità di trasporto di corrente estremamente elevata, resistenza eccezionalmente bassa alle alte frequenze, dispersione del segnale molto bassa ed elevata sensibilità al campo magnetico. Escludono i campi magnetici applicati esternamente, mostrano comportamenti quantistici insoliti e sono in grado di trasmettere segnali alla velocità della luce. Questa combinazione di fattori riscrive efficacemente le regole per le industrie elettromagnetiche e suggerisce numerose possibili innovazioni, compresa una migliore trasmissione di energia elettrica, generazione e stoccaggio; più piccoli, magneti più potenti per motori; attrezzature mediche all'avanguardia; componenti a microonde migliorati per comunicazioni e applicazioni militari; sensori notevolmente potenziati; e utilizzando campi magnetici per contenere particelle cariche.
