Supergeleiding
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Supergeleiding (vroeger ook wel suprageleiding genoemd) is het verschijnsel dat de elektrische weerstand van sommige materialen beneden een bepaalde (meestal zeer lage) temperatuur opeens helemaal verdwijnt. Het verschijnsel is ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes in Leiden in 1911 bij zijn baanbrekende werk op het gebied van de extreem lage temperaturen. In de jaren tachtig en negentig van de twintigste eeuw vond men ook supergeleiding bij veel hogere temperaturen in keramische materialen.
Supergeleiding wil zeggen dat als er stroom op gang gebracht wordt in een gesloten kring die bestaat uit een supergeleidend materiaal, deze stroom ook zonder aangelegde elektrische spanning zal blijven rondlopen. Doordat een kringstroom een magnetisch veld opwekt kan men op deze manier een permanent magnetisch veld opwekken. Supergeleidende magneten vinden daarom veel toepassing, maar een groot nadeel is dat supergeleiding in de meeste materialen slechts bij bijzonder lage temperaturen optreedt, enkele graden boven het absolute nulpunt. Supergeleidende magneten moeten dus met grote en kostbare installaties worden gekoeld, meestal met vloeibaar helium. Een uitzondering is magnesiumdiboride (MgB2), dat tot de relatief hoge temperatuur van 39 kelvin (-234,15 graden Celsius) supergeleidend is.
Er zijn sinds een aantal jaren enkele cupraten (verbindingen met CunOm) die bij temperaturen tot 135 kelvin (-138,15 graden Celsius) supergeleidend zijn, maar zij hebben weer andere nadelen; het zijn keramische materialen die zich moeilijk tot een draad laten vormen en zij verdragen vaak niet zulke hoge stromen (lees: magnetische velden).
Inhoud |
[bewerken] Theorieën voor supergeleiding
Sinds de ontdekking door Kamerlingh Onnes zijn er veel pogingen tot verklaring gedaan. In de jaren vijftig vonden theoretisch natuurkundigen een bevredigende verklaring van de "klassieke" supergeleiding met de beschrijvende ("fenomenologische") Ginzburg-Landau theorie (1950) van twee Russen en de microscopische BCS-theorie (1957) van de Amerikanen Bardeen, Cooper en Schrieffer. Dit trio kreeg in 1972 de Nobelprijs voor hun theorie. Voor supergeleiding bij hoge temperaturen is nog geen bevredigende theoretische verklaring gevonden.
[bewerken] Verklaring volgens BCS-theorie
Supergeleiders zijn geleiders die geen weerstand hebben voor elektronenstromen. Dit komt door de vorming van Cooperparen, een kwantumeffect dat intuïtief als volgt beschreven kan worden: Beschouw twee vrije elektronen in een rooster met positieve ionen:
+ + + + + +
-
+ + + + + +
+ + + + + +
-
+ + + + + +
In zijn geheel gezien is het volledige rooster neutraal geladen. De 2 elektronen hebben een negatieve lading en verzamelen daardoor positieve ionen rond zich. Dit heeft als gevolg dat op een redelijke afstand een elektron als lichtjes positief beschouwd wordt door het andere elektron. Andersom is dit ook waar. De elektronen worden dus lichtjes tot elkaar aangetrokken. Dit gebeurt enkel als de trillingen van de ionen niet te groot zijn. Als deze te groot zouden zijn, worden de positieve ladingen van de ionen over een groter gebied verspreid en worden de Cooperparen niet gevormd. Dit is de oorzaak waardoor supergeleiding voorlopig alleen maar kan optreden bij relatief lage temperaturen. De temperatuur waarbeneden supergeleiding optreedt, noemt men de kritische temperatuur; deze is sterk afhankelijk van de stroomdichtheid en het omliggende magnetische veld. Bij te grote magnetische velden verliezen veel materialen hun supergeleidende eigenschap.
Als elektronen zich in een Cooperpaar schikken is hun gezamenlijk energieniveau kleiner dan wanneer ze apart voorkomen. Dit wil zeggen dat, indien mogelijk, elektronen zich altijd in Cooperparen gaan schikken. Als de elektronen zich in paren schikken, wil dit zeggen dat ze ook zo gaan bewegen. Doordat de ionen weinig trillen is bovendien de kans op verstrooiing ("botsingen") zeer klein. Dit verklaart dat er geen elektrische weerstand is in supergeleidingstoestand.
[bewerken] Toepassingen
Supergeleidende materialen worden vooral toegepast waar het gunstig is om absoluut geen elektrische verliezen te hebben. Door de ontdekking van hoge-temperatuur-supergeleiders kan dit nu in principe bij de temperatuur van vloeibaar stikstof, een relatief makkelijk te hanteren koelmiddel. De eigenschappen van de betreffende materialen zijn echter niet zo gunstig: het zijn keramische, nogal brosse materialen, die ook geen al te sterke magnetische velden kunnen verdragen zonder hun supergeleiding te verliezen.
In praktische toepassingen vinden we daarom nog voornamelijk supergeleidende metalen, die met vloeibaar helium gekoeld moeten worden. Het bekendste voorbeeld is wellicht de MRI-scanner die men in grote ziekenhuizen aantreft. Om de grote magnetische velden op te wekken zonder enorm warmteverlies en de daarmee gepaard gaande verhitting, gebruikt men supergeleidende spoelen als elektromagneet. Supergeleidende spoelen worden ook gebruikt als stuurmagneet in deeltjesversnellers.
Supergeleidende spoelen worden ook gebruikt in tokamaks voor kernfusie: ze worden daar gebruikt om het magnetische veld op te wekken waarmee het plasma wordt opgesloten. Dat laatste moet wel in een magnetisch veld omdat het plasma een extreme temperatuur van 15 miljoen kelvin heeft.
In de experimentele natuurkunde gebruikt men wel SQUIDs, kleine supergeleidende stroomkringen om minuscule elektromagnetische velden te detecteren, bijvoorbeeld velden ten gevolge van één deeltje. Het is ook mogelijk om met behulp van zogenaamde Josephson-juncties logische schakelingen te maken.
Voor toekomstige toepassingen kan men denken aan supergeleidende hoogspanningsleidingen om transportverliezen ten gevolge van elektrische weerstand te minimaliseren. Ook Maglev-treinen zouden van supergeleidende technologie gebruik kunnen gaan maken.
[bewerken] Zie ook
