Supraledare

Wikipedia

Supraledning, elektromagnetiskt fenomen som uppträder vid låga temperaturer i vissa material. Ett supraledande material karaktäriseras av sin oändligt stora elektriska ledningsförmåga och av att det inte kan innehålla något magnetiskt fält i innandömet. Fenomenet, som ännu inte till fullo klarlagts, förklaras av att elektronerna vid tillräckligt låga temperaturer och tillräckligt små strömmar parar ihop sig till så kallade "Cooper-par", som håller ihop genom utbyte av fononer (vibrationer i kristallgittret), och som har förmågan att passera igenom materialet utan energiförluster.

Numera finns två indelningar av supraledning. Klass I (mjuka supraledare) innehåller material, vanligtvis metaller, som är elektriskt ledande vid rumstemperatur och kräver kraftig nerkylning för att bli supraledande, vilket sker någonstans mellan 1 K och 20 K. De var de första supraledarna som framställdes i laboratorium. Den andra sortens supraledare, klass II (hårda supraledare) är i allmänhet vid rumstemperatur dåliga ledare och kan bestå av keramiska material eller kraftigt dopade halvledare. Skillnaden mellan varianterna är att en hård supraledare som placeras i ett starkt externt magnetfält och samtidigt leder en stark ström har liten resistivitet, vilka "malströmsliknande" rörelser i elektronflödet. När magnetfältet och/eller strömmen sjunker så blir virvlarna stillastående och ger inte längre upphov till någon resistans.

Den andra typen av supraledare har idag ingen tillfredsställande teori, då de blir supraledande vid betydligt mycket högre temperaturer än vad cooperpar-teorin anger – i något fall vid så höga temperaturer som 130 K (-143 °C), vilket är fallet med en speciell kvicksilverhaltig förening som framförallt innehåller koppar och syre.

Förutom de uppenbara tillämpningsområdena som förlustfri transport av elektricitet, finns det ett stort antal märkliga egenskaper hos supraledande material. Exempelvis meissnereffekten, som består i att ett yttre, svagt magnetfält bara kan tränga in en ytterst kort sträcka i supraledaren – i allmänhet något hundratal nanometer. Ett annat är Lenz lag som säger att ett yttre magnetfält som varierar i styrka kommer inducera ett så stort elektriskt flöde i halvledaren, att det inducerade magnetfältet exakt tar ut det yttre. Detta orsakar bland annat det välkända fenomenet att supraledare svävar om de placeras ovanpå en magnet.

Många vanliga metaller blir supraledande vid tillräckligt låga temperaturer, men det är opraktiskt och är ett hinder för många intressanta användningsområden. Mycket forskning läggs på att få fram material som är supraledande även vid högre temperaturer. Målet är att hitta något som är supraledande nära rumstemperatur. Det stora genombrottet för supraledande material kom 1986 då man konstruerade ett keramiskt ämne med formeln YBa₂Cu₃O₇, som blir supraledande vid 92 K, vilket gör att det kan hållas kylt med flytande kväve (kokpunkt 77 K) som är förhållandevis hanterbart och billigt. Detta belönades påföljande år med nobelpriset.

[redigera] Tekniska tillämpningar

Supraledare har stora tekniska tillämpningar:

• Kraftnät - på grund av ledarnas nollresistans blir det inga kostsamma energiförluster. I Danmark har man en 200 meters supraledande kabel på försök för att distribuera elektricitet. Eftersom mycket energi går åt nerkylning av kabeln, är tekniken ännu oekonomisk.
• MRI - med supraledare kan man generera starkare magnetfält via spolar än vad som är praktiskt annars. Dessa starkare fält ger möjlighet till att avbilda fler ämnen.
• Processorer - supraledare används för mycket snabba processorer som har kapaciteten petaflops (10¹⁵ beräkningar per sekund). Dagens processorer inom industrin har kapaciteten teraflops (10¹² beräkningar per sekund), medan hemdatorer har gigaflops (10⁹) (år 2003).
• Generatorer - genom att byta ut kopparledare mot supraledare, kan effektiviteten i spolarna bli 99 % (d.v.s. nästan all mekanisk energi omvandlas till elektricitet).
• Antenner kan fysiskt förkortas utan att det ger upphov till förluster.