La superconductividad es un fenómeno que ocurre en ciertos materiales en extremadamente - las temperaturas bajas caracterizadas por la resistencia eléctrica exactamente cero y la exclusión del campo magnético (el efecto de Meissner ) interior.
La resistencia eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente mientras que se baja la temperatura. Sin embargo, en conductores ordinarios tales como cobre y de plata, las impurezas y otros defectos imponen un límite más bajo. Incluso cerca del cero absoluto una muestra verdadera de cobre demuestra una resistencia diferente a cero. La resistencia de un superconductor, por una parte, cae precipitadamente a cero cuando el material se refresca debajo de su " temperature" crítico;. Una corriente eléctrica que fluye en un lazo del alambre superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de energía. Como el Ferromagnetism y las líneas espectrales atómicas superconductividad del es un fenómeno mecánico del quántum . No puede ser entendido simplemente como la idealización del " " perfecto de la conductividad ; en la física clásica.
La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como la lata y el aluminio, el vario metálico alea y una cierta superconductividad pesado-dopada de los semiconductores no ocurre en los metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.
En 1986 el descubrimiento de una familia de Cuprate - los materiales de cerámica de la perovskita conocidos como superconductores des alta temperatura, con temperaturas críticas superior a 90 Kelvin, estimularon interés y la investigación renovados en la superconductividad por varias razones. Como asunto de la investigación pura, estos materiales representaron un nuevo fenómeno no explicado por la teoría actual. Y, porque el estado superconductor persiste hasta temperaturas más manejables, más allá del punto de ebullición económico-importante del nitrógeno líquido, usos más comerciales son factibles, especialmente si los materiales con incluso temperaturas críticas más altas podrían ser descubiertos.
Características elementales de superconductores
La mayor parte de las características físicas de superconductores varían del material al material, tal como la capacidad de calor y la temperatura crítica en las cuales se destruye la superconductividad. Por una parte, hay una clase de características que sean independiente del material subyacente. Por ejemplo, todos los superconductores tienen resistencia cero del exactamente a las corrientes aplicadas bajas cuando no hay presente de campo magnético. La existencia de estos " universal" las características implican que la superconductividad es una fase termodinámica, y poseen así ciertas características de distinción que sean en gran parte independiente de detalles microscópicos.
" eléctrico cero; dc" resistencia
El método más simple para medir la resistencia eléctrica de una muestra de un poco de material es colocarla en un circuito eléctrico en serie con un actual I de la fuente y medir el resultante V del voltaje a través de la muestra. La resistencia de la muestra es dada por la ley de ohmio como = \ frac {V} {I} del . Si el voltaje es cero, éste significa que la resistencia es cero y que la muestra está en el estado superconductor.Los superconductores pueden también mantener una corriente sin voltaje aplicado cualesquiera, una característica explotada en los electroimanes superconductores tal como ésos encontrados en máquinas MRI . Los experimentos han demostrado que las corrientes en bobinas superconductoras pueden persistir por años sin ninguna degradación mensurable. La evidencia experimental señala a un curso de la vida actual por lo menos de 100.000 años, y las estimaciones teóricas para el curso de la vida de una corriente persistente exceden el curso de la vida estimado del universo .
En un conductor normal, una corriente eléctrica se puede visualizar como líquido de los electrones que se mueven a través de un enrejado iónico pesado . Los electrones están chocando constantemente con los iones en el enrejado, y durante cada colisión algo de la energía llevada por la corriente es absorbida por el enrejado y convertida en el calor, que es esencialmente la energía cinética vibratorio de los iones del enrejado. Consecuentemente, la energía llevada por la corriente se está disipando constantemente. Éste es el fenómeno de la resistencia eléctrica.
La situación es diferente en un superconductor. En un superconductor convencional, también conocido como tipo superconductor del de I, el líquido electrónico no puede ser resolved en electrones individuales. En lugar, consiste en los pares encuadernados de electrones sabidos como los pares del fabricante de vinos esto que se aparea son causados por una fuerza atractiva entre los electrones del intercambio de los fonones debido a los mecánicos de Quantum, el espectro de energía del de este fabricante de vinos que el líquido de los pares posee un boquete de energía, significando que hay una cantidad mínima del ΔE de la energía que se debe suministrar para excitar el líquido. Por lo tanto, si el ΔE es más grande que la energía termal del enrejado, dada por el kT, donde está constante y el el k T de Boltzmann es la temperatura, el líquido no será dispersado por el enrejado. El líquido de los pares del fabricante de vinos es así un superfluido, significando que puede fluir sin la disipación de energía.
En una clase de superconductores conocidos como tipo del de los superconductores de II, incluyendo todos los superconductores des alta temperatura sabidos de, una pequeña cantidad de resistencia aparece extremadamente en las temperaturas no demasiado lejos debajo de la transición superconductora nominal cuando una corriente eléctrica es aplicada conjuntamente con un campo, que se puede causar por la corriente eléctrica. Esto es debido al movimiento de vórtices en el superfluido electrónico, que disipa algo de la energía llevada por la corriente. Si la corriente es suficientemente pequeña, los vórtices son inmóviles, y la resistencia desaparece. La resistencia debido a este efecto es minúscula comparada con la de materiales no-superconductores, pero se debe considerar en experimentos sensibles. Sin embargo, como la temperatura disminuye suficientemente lejos debajo de la transición superconductora nominal, estos vórtices pueden congelarse en una fase desordenada pero inmóvil conocida como " glass" del vórtice;. Debajo de esta temperatura de transición de cristal del vórtice, la resistencia del material llega a ser verdadero cero.
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En materiales superconductores, las características de la superconductividad aparecen cuando el T de la temperatura se baja debajo de un Tc de la temperatura crítica . El valor de esta temperatura crítica varía del material al material. Los superconductores convencionales tienen generalmente temperaturas críticas el extenderse de alrededor 20 K ( Kelvin ) menos de 1 K. que el mercurio sólido, por ejemplo, tiene una temperatura crítica de 4. en fecha el 2001, la temperatura crítica más alta encontrada para un superconductor convencional es 39 K para el diboride (MgB2) del magnesio, aunque este material exhiba bastantes características exóticas que hay duda sobre clasificarla como " conventional" superconductor. Los superconductores de Cuprate pueden tener temperaturas críticas mucho más altas: El YBa2Cu3O7, uno de los primeros superconductores del cuprate que se descubrirán, tiene una temperatura crítica de 92 K, y los cuprates mercurio-basados se han encontrado con temperaturas críticas superior a 130 K. La explicación para estas altas temperaturas críticas sigue siendo desconocida. El apareamiento del electrón debido a los intercambios del fonón explica superconductividad en superconductores convencionales, pero no explica superconductividad en los superconductores más nuevos que tienen una temperatura crítica muy alta.
El inicio de la superconductividad es acompañado por los cambios precipitados en varias características físicas, que es el sello de una transición de fase . Por ejemplo, la capacidad de calor electrónica es proporcional a la temperatura en el régimen (no-superconductor) normal. En la transición superconductora, sufre un salto discontinuo y deja después de eso de ser linear. En las bajas temperaturas, varía en lugar de otro como el −α/ T del e para un cierto α constante. Este comportamiento exponencial es una de las pruebas para la existencia del boquete de energía .
La orden de la transición de fase superconductora era larga una cuestión de discusión. Los experimentos indican que la transición es second-order, significando que no hay calor latente . Los cálculos en los años 70 sugirieron que pueda realmente ser débil de primer orden debido al efecto de fluctuaciones de largo alcance en el campo electromagnético. Solamente fue demostrado recientemente teóricamente con la ayuda de una teoría de campo del desorden, en la cual el vórtice alinea del juego del superconductor un papel principal, que la transición está de segunda orden dentro del tipo régimen de II y de primera orden (es decir, calor latente ) dentro del tipo régimen de I, y que las dos regiones son separadas por un punto de Tricritical.
Efecto de Meissner
Cuando un superconductor se coloca en un externo débil H del campo magnético, el campo penetra el superconductor para solamente un λ corto del de la distancia, llamado la profundidad de penetración de Londres del, después de lo cual decae rápido a cero. Esto se llama el efecto de Meissner del, y es una característica de definición de la superconductividad. Para la mayoría de los superconductores, la profundidad de penetración de Londres está en la orden de 100 nanómetro.El efecto de Meissner se confunde a veces con la clase del Diamagnetism uno esperaría en un conductor eléctrico perfecto: según la ley de Lenz, cuando un que cambia el campo magnético de se aplica a un conductor, inducirá una corriente eléctrica en el conductor que crea un campo magnético de oposición. En un conductor perfecto, una corriente arbitrariamente grande puede ser inducida, y el campo magnético resultante cancela exactamente el campo aplicado.
El efecto de Meissner es distinto de esto porque un superconductor expele el todos los campos magnéticos de, no apenas los que estén cambiando. Suponer que tenemos un material en su estado normal, conteniendo un campo magnético interno constante. Cuando el material se refresca debajo de la temperatura crítica, observaríamos la expulsión precipitada del campo magnético interno, que no esperaríamos basado en la ley de Lenz.
El efecto de Meissner fue explicado por los hermanos Fritz y Heinz Londres, que demostró que la energía libre electromágnetico en un superconductor está reducida al mínimo proporcionó
donde está el H el campo magnético y el λ es la profundidad de penetración de Londres.
Esta ecuación, que se conoce como la ecuación de Londres, predice que el campo magnético en un del superconductor decae exponencial de cualquier valor posee en la superficie.
El efecto de Meissner analiza cuando el campo magnético aplicado es demasiado grande. Los superconductores se pueden dividir en dos clases según cómo ocurre esta avería. En el tipo superconductores del de I, la superconductividad se destruye precipitadamente cuando la fuerza del campo aplicado se levanta sobre un Hc del valor crítico. Dependiendo de la geometría de la muestra, una puede obtener las regiones que consisten en intermedias del estado un de material normal que llevan un campo magnético mezclado con las regiones de material superconductor que no contienen ninguÌn campo. En el tipo superconductores del de II, el aumento del campo aplicado más allá de un c 1 del del H del valor crítico lleva a un estado mezclado en el cual una cantidad cada vez mayor de flujo magnético penetre el material, pero no sigue siendo resistencia al flujo de corriente eléctrica mientras la corriente no sea demasiado grande. En un segundo c 2, superconductividad del del H de la fuerza de campo crítico se destruye. El estado mezclado es causado realmente por vórtices en el superfluido electrónico, a veces llamado Fluxons porque el flujo llevado por estos vórtices es cuantificado . La mayoría de los superconductores elementales puro, excepto el niobio, el tecnetio, el vanadio y los nanotubes del carbón son el tipo I, mientras que casi todos los superconductores impuros y compuestos son el tipo II. considera también: Historia la superconductividad La superconductividad fue descubierta en 1911 por el Heike Kamerlingh Onnes, que estudiaba la resistencia del mercurio sólido en las temperaturas criogénicas usar el helio líquido reciente-descubierto como refrigerante . En la temperatura de 4.2 K, él observó que desapareció la resistencia precipitadamente. En décadas subsecuentes, la superconductividad fue encontrada en varios otros materiales. En 1913, el plomo fue encontrado al superconduct en 7 K, y en el nitruro 1941 del niobio fue encontrado al superconduct en 16 K. El paso importante siguiente en la comprensión de superconductividad ocurrió en 1933, cuando el Meissner y el Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expelieron campos magnéticos aplicados, un fenómeno que ha venido ser conocido como el efecto de Meissner . Londres demostraron que el efecto de Meissner era una consecuencia de la minimización de la energía libre electromágnetico llevada por la corriente superconductora. En 1950, la teoría fenomenológica del Ginzburg-Landó de la superconductividad fue ideada por el landó y el Ginzburg . Esta teoría, que combinó la teoría del landó de las transiciones de fase second-order con un Schrödinger - como la ecuación de onda, tenía gran éxito en la explicación de las características macroscópicas de superconductores. Particularmente, el Abrikosov demostró que la teoría del Ginzburg-Landó predice que la división de superconductores en las dos categorías ahora designadas el tipo I y el tipo II. Abrikosov y Ginzburg fueron concedidos el Premio Nobel 2003 Del para su trabajo (landó que muere en 1968). También en 1950, el y otros del maxwell y de Reynolds encontró que la temperatura crítica de un superconductor depende de la masa isotópica del elemento constitutivo . Este descubrimiento importante señaló al electrón - interacción del fonón como el mecanismo microscópico responsable de superconductividad. La teoría microscópica completa de la superconductividad finalmente fue propuesta en 1957 por el Bardeen, el fabricante de vinos, y el Schrieffer . Independiente, el fenómeno de la superconductividad fue explicado por el Nikolay Bogolyubov . Esta teoría BCS explicó la corriente superconductora como un superfluido del fabricante de vinos aparea pares de de electrones que obran recíprocamente con el intercambio de fonones. Para este trabajo, concedieron los autores el Premio Nobel En 1972. La teoría de BCS fue fijada en un pie más firme en 1958, cuando Bogoliubov demostró que el wavefunction de BCS, que había sido derivado original de una discusión variada, se podría obtener usar una transformación canónica electrónico hamiltoniano. En 1959, el lev Gor'kov demostró que la teoría de BCS redujo a la teoría del Ginzburg-Landó cerca de la temperatura crítica. En 1962, el primer alambre superconductor comercial, una aleación del niobio-titanio, fue desarrollado por los investigadores en el Westinghouse . En el mismo año, el Josephson hizo la predicción teórica importante que un supercurrent puede fluir entre dos pedazos de superconductor separados por una capa delgada del aislador. Este fenómeno, ahora llamado el efecto de Josephson, es explotado por los dispositivos superconductores tales como calamares que se utiliza en las medidas disponibles más exactas del , y así (juntado con la resistencia de Pasillo del quántum) para el constante h de de Planck. Josephson fue concedido el Premio Nobel Para este trabajo en 1973. Hasta 1986, los físicos habían creído que la teoría de BCS prohibió superconductividad en las temperaturas sobre cerca de 30 K. En ese año, el Bednorz y el Müller descubrieron superconductividad en un lantano - el material basado de la perovskita del cuprate, que tenía una temperatura de transición de 35 K (Premio Nobel En la Physics, 1987). Fue encontrado pronto por el Paul C. Chu de la universidad de Houston y el M. Wu en la universidad de Alabama en Huntsville que el reemplazo del lantano por el itrio, es decir haciendo el YBCO, levantó la temperatura crítica a 92 K, que era importante porque el nitrógeno líquido podría entonces ser utilizado pues un refrigerante (en la presión atmosférica, el punto de ebullición del nitrógeno es 77 K.) esto es importante comercialmente porque el nitrógeno líquido se puede producir barato en sitio sin las materias primas, y no es propenso algunos de los problemas (el aire sólido tapa, etcétera) del helio adentro instalación de tubos. Muchos otros superconductores del cuprate se han descubierto desde entonces, y la teoría de la superconductividad en estos materiales es uno de los desafíos excepcionales principales de la física condensada teórico de la materia. En fecha el octubre de 2007, el superconductor más alto de la temperatura es un material de cerámica que consiste en el talio, el mercurio, el cobre, el bario, el calcio, el estroncio y el oxígeno, con Tc=138 K. considera también: Usos tecnológicos la superconductividad Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más de gran alcance sabidos. Se utilizan en el MRI y las máquinas RMN y los imanes del viga-manejo usados en los aceleradores de partícula pueden también ser utilizados para la separación magnética, donde las partículas magnéticas se extraen débil de un fondo menos o de partículas no magnéticas, como en las industrias del pigmento . Los superconductores también se han utilizado para hacer los circuitos de Digitaces (e. basado en tecnología rápida de Quantum de flujo la sola ) y el RF y los filtros de microonda para las estaciones base del teléfono móvil . Los superconductores se utilizan para construir las ensambladuras de Josephson que son los bloques huecos de los calamares (dispositivos de interferencia de quántum superconductor), los magnetómetros más sensibles sabidos. Las series de dispositivos de Josephson se utilizan para definir voltio del SI. Dependiendo del modo de operación particular, una ensambladura de Josephson se puede utilizar como detector del fotón o como mezclador . El cambio grande de la resistencia en la transición del normal- al estado superconductor se utiliza para construir los termómetros en los detectores criogénicos del fotón del microcalorímetro Otro los mercados tempranos se está presentando donde las ventajas de la eficacia relativa, del tamaño y del peso de los dispositivos basados en el HTS compensan los costes adicionales implicados. Los usos futuros prometedores incluyen los dispositivos de almacenamiento de alto rendimiento, transmisión de energía eléctrica, motores eléctricos de la energía de los transformadores (e. para la propulsión del vehículo, como en el Vactrains o los trenes de Maglev, los dispositivos de la levitación magnética y los limitadores actuales de avería. Sin embargo la superconductividad es sensible a los usos móviles de los campos magnéticos tan que utilizan la corriente alternada (e. transformadores) serán más difíciles de convertirse que los que confíen en la corriente continua .
Teorías de la superconductividad
Desde el descubrimiento de la superconductividad, grandes esfuerzos se han dedicado a descubrir cómo y porqué trabaja. Durante los años 50, el teórico condensó a físicos de la materia llegó una comprensión sólida del " conventional" superconductividad, con un par de teorías notables e importantes: la teoría fenomenológica (1950) del Ginzburg-Landó y la teoría microscópica (1957) BCS. Las generalizaciones de estas teorías forman la base para entender el fenómeno estrechamente vinculado de la superfluidez, porque bajan en la clase de la universalidad de la transición de lambda, pero el grado a el cual las generalizaciones similares se pueden aplicar a los superconductores poco convencionales también es todavía polémico. La extensión cuadridimensional de la teoría, el Coleman-Weinberg modelo del Ginzburg-Landó, es importante en la teoría de campo de Quantum y el cosmología . Historia de la superconductividad
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