Cuando un imán y un superconductor en estado superconductor están cerca uno del otro, el campo magnético del imán hará que aparezca una corriente superconductora en la superficie del superconductor. El campo magnético formado por esta corriente superconductora es exactamente el mismo que el campo magnético de un imán dentro del superconductor, pero en dirección opuesta. Estos dos registros magnéticos se cancelan, haciendo que la intensidad de inducción magnética dentro del superconductor sea cero, B=0, es decir, el superconductor repele el campo magnético interno.
En 1933, cuando los físicos alemanes W. Meissner y R. Ochsebfekd midieron la distribución del campo magnético de una bola de cristal superconductor de estaño, descubrieron que cuando el metal se enfría a un estado superconductor en un pequeño campo magnético, las líneas del campo magnético en el cuerpo Cuando el superconductor se descarga inmediatamente, las líneas del campo magnético no pueden pasar a través de él. Es decir, cuando el superconductor está en estado superconductor, el campo magnético en el cuerpo siempre es igual a cero.
Una vez que un superconductor entra en estado superconductor, todo el flujo magnético del cuerpo se descargará del cuerpo y la intensidad de la inducción magnética permanecerá cero. No importa si el conductor se enfría primero y luego el campo magnético primero, siempre que entre en el estado superconductor, el superconductor descargará todo el flujo magnético del cuerpo.
Además, los superconductores son completamente diamagnéticos y los campos magnéticos externos no pueden entrar o (estrictamente) existir en un amplio rango. Esta es otra característica básica de los superconductores. Principio
La razón del efecto Meissner es que cuando un superconductor está en estado superconductor, se genera una corriente inducida sin pérdidas en la superficie bajo la acción de un campo magnético. El campo magnético producido por esta corriente es exactamente del mismo tamaño y de dirección opuesta al campo magnético externo, por lo que el campo magnético total resultante es cero. En otras palabras, esta corriente inducida sin pérdidas protege el campo magnético externo, por lo que se denomina corriente de protección diamagnética.
Los superconductores no son conductores ideales con una resistencia extremadamente baja.
Porque para un conductor ideal con resistividad ρ infinitamente pequeña, según la ley de Ohm E=ρJ, si ρ=0, las ecuaciones de Maxwell ▽×E =-δB/δt = 0, lo que demuestra que en un conductor ideal conductor La intensidad de la inducción magnética permanece sin cambios antes y después de agregar un campo magnético, es decir, B = C ≠ 0, donde C es la intensidad de la inducción magnética en el conductor antes de agregar un campo magnético. El efecto Meissner de los superconductores requiere B=0 en el superconductor.
Más tarde, la gente también hizo un experimento, colocando un pequeño imán permanente con fuertes propiedades magnéticas en una placa de estaño poco profunda y luego bajando la temperatura para hacer que el estaño fuera superconductor. En este momento podemos ver que el pequeño imán en realidad abandonó la superficie de la hojalata y flotó hacia arriba. Mantén una cierta distancia de la hojalata y cuélgala en el aire. Esto se debe a que el superconductor es completamente diamagnético, de modo que las líneas del campo magnético del pequeño imán no pueden penetrar el superconductor y el campo magnético se distorsiona, creando una fuerza de flotación ascendente.
Investigaciones adicionales muestran que en el estado superconductor, la razón por la cual el campo magnético externo no puede penetrar el interior del objeto es que se induce una corriente superconductora diamagnética sin pérdidas en la superficie del superconductor, que
El campo magnético generado por la corriente cancela exactamente el campo magnético dentro del superconductor. Este hallazgo es significativo. Más tarde, se utilizó el efecto Meissner para determinar si una sustancia es superconductora.
El efecto Meissner y el fenómeno de resistencia cero son dos factores importantes para determinar si un material es un superconductor en el experimento.
El efecto Messner muestra que el estado superconductor es un estado de equilibrio termodinámico y no tiene nada que ver con cómo entrar en el estado superconductor. El fenómeno de resistencia cero del estado superconductor y el efecto Meissner son dos propiedades básicas independientes pero interrelacionadas del estado superconductor. La simple resistencia cero no garantiza la existencia del efecto Meissner, pero el efecto de resistencia cero es una condición necesaria para el efecto Meissner. Por lo tanto, para medir si un material es un superconductor, hay que ver si tiene resistencia cero y el efecto Meissner.
Además, según el principio del "efecto Messner", los científicos lo aplican a trenes y barcos superconductores.
Capítulo 2: Características y aplicaciones de los materiales superconductores
Resumen: Como material nuevo, los materiales superconductores se utilizan cada vez más en diversos campos, y los humanos serán cada vez más. Se presta atención a la superconductividad y sus aplicaciones. No hay duda de que la aplicación de materiales superconductores tiene un enorme potencial y perspectivas de desarrollo. Las perspectivas prácticas de la superconductividad parecen estar cerca, lejos y cerca. Los seres humanos ya se han beneficiado de la tecnología superconductora, como los imanes superconductores para resonancia magnética médica, y en los últimos años aparecerán en el mercado aplicaciones en equipos electrónicos; superior. En lugares distantes, la gente verá aplicaciones en comunicaciones por microondas, equipos informáticos, almacenamiento de energía y equilibrio de redes.
Si bien proporciona una descripción general de la superconductividad, este artículo presentará brevemente las aplicaciones de los materiales superconductores.
1. Propiedades superconductoras de los materiales superconductores
Cuando la temperatura del conductor baja hasta un determinado valor, la resistencia desaparecerá repentinamente, es decir, la resistencia será cero. Este fenómeno se llama "superconductividad". Las sustancias con superconductividad se denominan superconductores, como el titanio, el zinc, el talio, el plomo, el mercurio, etc. Todos muestran algunas ** características cuando la temperatura desciende a esta temperatura (temperatura de transición superconductora).
La resistencia del 1,1 es cero. Un anillo superconductor puede mantener su flujo de corriente original incluso cuando se retira la fuente de energía. Alguien hizo experimentos y descubrió que la corriente en el anillo superconductor duró dos años y medio sin una atenuación significativa.
1.2 Completamente diamagnético. Este fenómeno fue descubierto por el físico alemán Meissner y otros en un experimento en 1933. Mientras la temperatura del material superconductor sea inferior a la temperatura crítica y entre en estado superconductor, el material superconductor repelerá las líneas del campo magnético fuera del cuerpo, por lo que la intensidad de la inducción magnética en el cuerpo siempre es cero. Este fenómeno se conoce como "efecto Messner".
2. Aplicación de materiales superconductores
2.1 El enorme potencial de las aplicaciones superconductoras
El estado superconductor es un estado único de la materia con características novedosas. Inmediatamente pensamos en su aplicación a la tecnología. El efecto de resistencia cero de un superconductor indica que tiene la propiedad de transmitir corriente sin pérdidas. Si los generadores y motores de alta potencia utilizados en la industria, la defensa nacional y la investigación científica pueden lograr la superconducción, el consumo de energía se reducirá y miniaturizará considerablemente. Utilizando el efecto túnel superconductor, las personas pueden crear los componentes de detección de señales electromagnéticas y componentes de computadora de alta velocidad más sensibles del mundo. El magnetómetro de interferencia cuántica superconductor fabricado con este tipo de detector puede medir cambios en el campo magnético de la Tierra miles de millones de veces y también puede medir magnetoencefalogramas y magnetocardiogramas humanos. Los superconductores utilizados en equipos de microondas podrían mejorar enormemente la calidad de las comunicaciones por satélite. Por tanto, los superconductores muestran un gran potencial de aplicación.
2.2 Aplicación de materiales superconductores en altos voltajes
Las principales aplicaciones de los materiales superconductores (bobinas superconductoras) en altos voltajes incluyen: uso en física de altas energías y investigación en física de materia condensada Alto campo imanes para reacciones termonucleares controladas; utilizados en dispositivos de resonancia magnética nuclear para proporcionar campos magnéticos uniformes de 1 a 10 T y barrido horizontal por resonancia magnética nuclear; utilizados en la fabricación de bobinas para generadores y motores de levitación magnética para trenes de alta velocidad; y fluidos magnéticos para barcos y submarinos Sistema de propulsión electromagnética.
2.3 Aplicación de materiales superconductores en electricidad débil
La aplicación de materiales superconductores en electricidad débil consiste principalmente en utilizar la unión de Josephson para obtener un voltaje estándar, crear un interferómetro cuántico superconductor y luego Utilizado en biomagnetismo. Además, las uniones Josephson tienen un gran potencial en aplicaciones informáticas, donde podemos crear circuitos lógicos y memorias más rápidos creados por computadora. Por supuesto, también existen muchos dispositivos con propiedades especiales.
3. Conclusión
El futuro de la humanidad es inseparable de la tecnología superconductora y su desarrollo beneficiará cada vez más a la humanidad. En el siglo XXI, la tecnología superconductora será cada vez más importante y la aplicación de materiales superconductores se generalizará cada vez más.
Capítulo 3: 1 Propiedades de los superconductores
En el verano de 1911, mientras hacían experimentos a baja temperatura, dos estudiantes graduados de Annas descubrieron accidentalmente que la resistencia de ciertos metales disminuía repentinamente en Los ambientes con temperaturas extremadamente bajas desaparecen. Este descubrimiento causó sensación entre los científicos de todo el mundo. Todos quieren descubrir el misterio de la superconductividad, porque sólo comprendiendo el mecanismo microscópico de la superconductividad podemos hacer mayores contribuciones a la humanidad. En el otoño de 1955, Bardeen formó un equipo de investigación con su estudiante de posgrado Robert Schrieffer y otro joven doctorado Leon Cooper para explorar el mecanismo microscópico de la superconductividad y comenzó a avanzar hacia este misterioso reino. Finalmente, se estableció una teoría microscópica completa de la superconductividad. Los tres tuvieron la suerte de compartir el Premio Nobel de Física de 1972. Esta teoría también lleva el nombre de la primera letra de su apellido y se conoce como la "teoría BCS".
Durante mucho tiempo, la temperatura crítica de los materiales superconductores ha oscilado en un rango de temperatura bastante bajo. En 1986, llegó una noticia interesante desde el laboratorio de IBM en Zurich, Suiza: la temperatura crítica de los óxidos de Ba, La y Cu alcanzó los 30 K.
Según la teoría BCS, la temperatura crítica máxima de superconductividad no excederá los 40K, pero ahora ha superado con creces este límite y es necesario encontrar una nueva teoría. El físico estadounidense Philip Anderson también propuso una nueva teoría de la superconductividad. Contrariamente a la convención del "par de Cooper", creía que los electrones no se atraen sino que se repelen entre sí. Es esta repulsión la que acerca a los electrones, uniéndolos. Tao Ruibao de la Universidad de Fudan en China también propuso la teoría de la percolación de excitones superconductores. Esta teoría sostiene que los electrones en estado superconductor tienen una estructura de banda de energía especial y las ondas de electrones formadas por estos electrones se superponen entre sí en el cristal. Cuando se aplica una corriente eléctrica a dicho cristal, los electrones pasan por alto la red del cristal y se mueven en la dirección donde las ondas de los electrones se superponen sin generar resistencia, lo que resulta en superconductividad.
El verdadero mecanismo microscópico de la superconductividad es todavía un misterio. Desentrañar este misterio será otro gran avance para la humanidad.
1 Propiedades de los superconductores
El descubrimiento de la superconductividad
La superconductividad es un fenómeno maravilloso que se produce en algunos metales o aleaciones a bajas temperaturas.
A finales de 2019, la tecnología criogénica avanzó significativamente y el aire, que siempre se ha considerado un "gas permanente", se licuó. El oxígeno se licuó por primera vez en 1877, y lo llamamos punto de licuefacción. El punto de ebullición a presión atmosférica es -183°C (90K). Luego se licuó nitrógeno a una temperatura de licuefacción de -196°C. En 1898, J. Dewar convirtió el hidrógeno en hidrógeno líquido por primera vez, con una temperatura de licuefacción de -253°C. También inventó un recipiente para contener gas licuado: el matraz Dewar.
Este fenómeno fue descubierto por primera vez por la física holandesa Carmeline Anders. En 1908, Carmeline Annas licuó con éxito helio (-259°C), alcanzando así una nueva zona de baja temperatura (por debajo de 4,2K), donde midió la resistividad de varios metales puros.
En el verano de 1911, mientras realizaban experimentos a baja temperatura, dos estudiantes graduados de Annas descubrieron accidentalmente que la resistencia de ciertos metales desaparecía repentinamente en ambientes de temperaturas extremadamente bajas. Luego, Annas realizó experimentos con mercurio y descubrió que este fenómeno superconductor ocurría cuando el mercurio estaba a 4,1 K (aproximadamente -269 °C). No sólo el mercurio puro, sino también las aleaciones de mercurio y estaño tienen esta propiedad después de añadir impurezas. A esta propiedad la llamó superconductividad. Experimentó con un anillo de plomo. Una corriente de 900 amperios fluyó a través del anillo de plomo, y después de dos años y medio todavía no se desintegraba.
En 1932, tanto Holm como Cameron-Arnis descubrieron en experimentos que dos metales en estado superconductor separados por una capa de óxido extremadamente delgada pueden conducir electricidad sin que fluya corriente externa. En 1933, Meisner y Olsenfeld de los Países Bajos descubrieron una propiedad extremadamente importante de los superconductores.
Propiedades básicas de los superconductores
1. Efecto de resistencia cero
En condiciones superconductoras, la característica más significativa de los superconductores es que la resistencia es igual a cero. Si se coloca un anillo de metal en un campo magnético y el campo magnético se elimina repentinamente, aparecerá una corriente inducida en el anillo. La resistencia del anillo metálico es R y la inductancia es L. Debido a la pérdida de calor Joule, la corriente inducida disminuirá gradualmente hasta cero. La tasa de disminución está relacionada con la relación entre L y R. Cuanto mayor sea el valor de L/R. , más lenta es la descomposición. Si el anillo fuera un superconductor, la resistencia sería cero y la inductancia distinta de cero, por lo que la corriente permanecería sin decaer; Esta "corriente continua" se ha observado en muchos experimentos. Los experimentos que midieron cambios continuos de corriente en anillos superconductores mostraron que la resistividad del plomo en la muestra era inferior a 3,6×10-2 ohm·cm, que es 4,4×1016 veces menor que la resistividad del cobre a temperatura ambiente. Los resultados experimentales muestran que la resistividad de los superconductores es efectivamente cero.
Temperatura crítica TC: la temperatura a la que un superconductor cambia de un estado normal a un estado superconductor.
Campo magnético crítico BC: para los superconductores, la superconductividad solo se puede mantener cuando el campo magnético externo es menor que un cierto valor; de lo contrario, el estado superconductor se destruirá y se transformará en un estado normal. Este valor del campo magnético se denomina campo magnético crítico BC (intensidad de inducción magnética crítica), a veces expresado como HC (intensidad de campo magnético crítico). La relación entre el campo magnético crítico y la temperatura es
HC = Ho[1-(t/TC)2]El campo magnético crítico cuando Ho es 0 K.
Del mismo modo, los superconductores también tienen una corriente IC crítica.
Dispositivo de prueba de resistencia cero:
El fenómeno de resistencia cero se puede medir mediante el método de cuatro cables y la resistencia de la muestra cambia con la temperatura.
2. Efecto Messner (diamagnetismo ideal):
Esta es otra característica de los superconductores. En 1933, cuando los físicos alemanes W. Meissner y R. Ochsebfekd midieron la distribución del campo magnético de una bola de cristal superconductor de estaño, descubrieron que cuando el metal se enfriaba a un estado superconductor en un pequeño campo magnético, las líneas del campo magnético en el cuerpo Se descarga inmediatamente y las líneas del campo magnético no pueden pasar, es decir, cuando el superconductor está en estado superconductor, el campo magnético en el cuerpo siempre es igual a cero.
Esto significa que los superconductores no son conductores ideales con una resistencia extremadamente baja.
Porque para un conductor ideal con resistividad ρ infinitamente pequeña, según J = σ e = E/ρ, cuando ρ es 0, E debe ser 0 para mantener J finito. Es decir, para un conductor perfecto, aún se puede mantener una densidad de corriente constante en ausencia de un campo eléctrico e.
Por otro lado, según una de las ecuaciones de Maxwell
es t
Dado que E es siempre 0, está ligado a B0, y la inducción magnética La intensidad B no cambiará con los cambios de Tiempo, o en otras palabras, en un conductor perfecto, t.
El flujo de inducción magnética no se puede cambiar. Pero el efecto Meissner no encaja con ello.