ตัวนำยิ่งยวดคืออะไร: ประเภทวัสดุและคุณสมบัติ

มีวัสดุสองประเภทเช่นโลหะและฉนวน โลหะอนุญาตให้มีการไหลของอิเล็กตรอนและนำประจุไฟฟ้าไปด้วยเช่นเงินทองแดง ฯลฯ ในขณะที่ฉนวนกักอิเล็กตรอนไว้และจะไม่ยอมให้อิเล็กตรอนไหลเช่นไม้ยาง ฯลฯ ในศตวรรษที่ 20 วิธีการทางห้องปฏิบัติการใหม่ได้รับการพัฒนาโดย นักฟิสิกส์ในการทำให้วัสดุเย็นลงจนถึงอุณหภูมิศูนย์ เขาเริ่มตรวจสอบองค์ประกอบบางอย่างเพื่อให้ทราบว่า ไฟฟ้า จะเปลี่ยนไปในสภาวะเช่นตะกั่วและปรอทเนื่องจากนำไฟฟ้าภายใต้อุณหภูมิที่กำหนดโดยไม่มีความต้านทาน พวกเขาค้นพบพฤติกรรมเดียวกันในสารประกอบหลายชนิดเช่นจากเซรามิกส์ไปจนถึงท่อนาโนคาร์บอน บทความนี้กล่าวถึงภาพรวมของตัวนำยิ่งยวด

Superconductor คืออะไร?

คำจำกัดความ: วัสดุที่สามารถนำไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานเรียกว่าตัวนำยิ่งยวด ในกรณีส่วนใหญ่ในวัสดุบางชนิดเช่นสารประกอบอื่น ๆ องค์ประกอบโลหะจะมีความต้านทานระดับหนึ่งที่อุณหภูมิห้องแม้ว่าจะมีความต้านทานต่ำที่ a อุณหภูมิ เรียกว่าอุณหภูมิวิกฤต

ตัวนำยิ่งยวด

การไหลของอิเล็กตรอนจากอะตอมไปยังอะตอมมักทำโดยใช้วัสดุบางชนิดเมื่อได้อุณหภูมิวิกฤตดังนั้นวัสดุจึงสามารถเรียกได้ว่าเป็นวัสดุตัวนำยิ่งยวด สิ่งเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในหลายสาขาเช่นการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กและวิทยาศาสตร์การแพทย์ วัสดุส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในตลาดไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด ดังนั้นพวกมันจึงต้องอยู่ในสถานะพลังงานต่ำมากเพื่อเปลี่ยนเป็นตัวนำยิ่งยวด การวิจัยในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาสารประกอบเพื่อพัฒนาเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ประเภทของตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำยิ่งยวดแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ type-I & type-II

ประเภทของตัวนำยิ่งยวด

Type-I ตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำยวดยิ่งประเภทนี้ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าพื้นฐานและสิ่งเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในด้านต่างๆตั้งแต่การเดินสายไฟฟ้าไปจนถึงไมโครชิปบนคอมพิวเตอร์ ตัวนำยิ่งยวดประเภทนี้จะสูญเสียความเป็นตัวนำยิ่งยวดไปอย่างง่ายดายเมื่อวางไว้ในสนามแม่เหล็กที่สนามแม่เหล็กวิกฤต (Hc) หลังจากนั้นมันจะกลายเป็นเหมือนตัวนำ ประเภทเหล่านี้ เซมิคอนดักเตอร์ ยังได้รับการขนานนามว่าเป็นตัวนำยวดยิ่งแบบอ่อนเนื่องจากสาเหตุของการสูญเสียความเป็นตัวนำยิ่งยวด ตัวนำยิ่งยวดเหล่านี้เป็นไปตามเอฟเฟกต์ Meissner อย่างสมบูรณ์ ตัวอย่างตัวนำยิ่งยวด คือสังกะสีและอลูมิเนียม

Type-II Superconductor

ตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้จะสูญเสียความเป็นตัวนำยวดยิ่งไปอย่างช้าๆ แต่ไม่เพียง แต่จัดเรียงภายในสนามแม่เหล็กภายนอก เมื่อเราสังเกตการแสดงกราฟิกระหว่างการทำให้เป็นแม่เหล็กกับสนามแม่เหล็กเมื่อเซมิคอนดักเตอร์ประเภทที่สองถูกวางไว้ในสนามแม่เหล็กมันจะสูญเสียความเป็นตัวนำยิ่งยวดอย่างช้าๆ

เซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้จะเริ่มสูญเสียความเป็นตัวนำยิ่งยวดในสนามแม่เหล็กที่มีนัยสำคัญน้อยกว่าและลดความเป็นตัวนำยิ่งยวดลงโดยสิ้นเชิงที่สนามแม่เหล็กวิกฤตที่สูงขึ้น สภาพระหว่างสนามแม่เหล็กวิกฤตที่แคบกว่าและสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สูงกว่าเรียกว่าสถานะกลางหรือสถานะกระแสน้ำวน

เซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้ได้รับการขนานนามว่าเป็นตัวนำยวดยิ่งแบบแข็งเนื่องจากสาเหตุที่ทำให้สูญเสียความเป็นตัวนำยิ่งยวดช้าลง แต่ไม่ใช่เพียงแค่ สารกึ่งตัวนำเหล่านี้จะเป็นไปตามผลของ Meissner แต่ไม่ใช่ทั้งหมด ตัวอย่างที่ดีที่สุดคือ NbN และ Babi3 ตัวนำยิ่งยวดเหล่านี้ใช้ได้กับแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดในสนามที่แข็งแกร่ง

วัสดุตัวนำยิ่งยวด

เราทราบดีว่ามีวัสดุจำนวนมากซึ่งบางชนิดจะเป็นตัวนำยิ่งยวด ไม่รวมปรอทตัวนำยิ่งยวดดั้งเดิมคือโลหะเซมิคอนดักเตอร์ ฯลฯ วัสดุทุกชนิดจะเปลี่ยนเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิที่แตกต่างกันเล็กน้อย

ปัญหาหลักของการใช้วัสดุเหล่านี้ส่วนใหญ่คือพวกมันจะนำไฟฟ้ายิ่งยวดในไม่กี่องศาของศูนย์ที่สมบูรณ์ นี่หมายถึงประโยชน์ใด ๆ ที่คุณได้รับจากการขาดความต้านทานที่คุณเกือบจะสูญเสียไปจากการรวมถึงการทำให้พวกเขาเย็นลงภายในจุดเริ่มต้น

โรงไฟฟ้าที่รับกระแสไฟฟ้าไปยังบ้านของคุณจากนั้นสายตัวนำยิ่งยวดจะส่งเสียงดัง ดังนั้นมันจะช่วยประหยัดพลังงานจำนวนมหาศาล อย่างไรก็ตามหากคุณต้องการระบายความร้อนชิ้นส่วนขนาดใหญ่และสายส่งทั้งหมดภายในโรงงานให้เป็นศูนย์คุณอาจจะเสียพลังงานมากขึ้น

คุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวด

วัสดุตัวนำยวดยิ่งแสดงคุณสมบัติที่น่าทึ่งบางอย่างซึ่งจำเป็นสำหรับเทคโนโลยีปัจจุบัน การวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติเหล่านี้ยังคงดำเนินต่อไปเพื่อรับรู้และใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเหล่านี้ในด้านต่างๆซึ่งแสดงไว้ด้านล่าง

• การนำไฟฟ้าไม่มีที่สิ้นสุด / ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์
• ผล Meissner
• อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง / อุณหภูมิวิกฤต
• Josephson Currents
• กระแสวิกฤต
• กระแสคงที่

การนำไฟฟ้าไม่มีที่สิ้นสุด / ความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์

ในสภาวะตัวนำยิ่งยวดวัสดุตัวนำยวดยิ่งจะแสดงความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ เมื่อวัสดุถูกทำให้เย็นลงภายใต้อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงความต้านทานจะลดลงเป็นศูนย์ทันที ตัวอย่างเช่น Mercury แสดงความต้านทานเป็นศูนย์ต่ำกว่า 4k

ผล Meissner

เมื่อตัวนำยิ่งยวดถูกทำให้เย็นลงภายใต้อุณหภูมิวิกฤตจะไม่อนุญาตให้สนามแม่เหล็กผ่านเข้าไป การเกิดขึ้นในตัวนำยิ่งยวดนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ไมส์เนอร์

อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง

อุณหภูมินี้เรียกอีกอย่างว่าอุณหภูมิวิกฤต เมื่ออุณหภูมิวิกฤตของวัสดุตัวนำยวดยิ่งกำลังเปลี่ยนสถานะการนำไฟฟ้าจากปกติไปเป็นตัวนำยิ่งยวด

โจเซฟสันปัจจุบัน

หากตัวนำยิ่งยวดทั้งสองถูกแบ่งออกด้วยความช่วยเหลือของฟิล์มบางในวัสดุฉนวนมันจะสร้างทางแยกที่มีความต้านทานต่ำเพื่อพบอิเล็กตรอนที่มีคู่ทองแดง สามารถขุดอุโมงค์จากพื้นผิวทางแยกหนึ่งไปยังอีกผิวหนึ่ง ดังนั้นกระแสเนื่องจากการไหลของคู่คูเปอร์จึงเรียกว่า Josephson Current

กระแสวิกฤต

เมื่อกระแสไฟฟ้าจ่ายผ่าน คนขับ ภายใต้เงื่อนไขของตัวนำยิ่งยวดสนามแม่เหล็กสามารถพัฒนาได้ หากการไหลของกระแสเพิ่มขึ้นเกินอัตราหนึ่งสนามแม่เหล็กจะสามารถเพิ่มขึ้นได้ซึ่งเทียบเท่ากับค่าวิกฤตของตัวนำที่สิ่งนี้กลับสู่สภาพปกติ การไหลของค่าปัจจุบันเรียกว่ากระแสวิกฤต

กระแสคงที่

หากวงแหวนตัวนำยิ่งยวดถูกจัดเรียงในสนามแม่เหล็กที่สูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตในปัจจุบันวงแหวนตัวนำยิ่งยวดจะเย็นตัวลงภายใต้อุณหภูมิวิกฤต ถ้าเรากำจัดฟิลด์นี้การไหลของกระแสไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นภายในวงแหวนได้เนื่องจากการเหนี่ยวนำในตัวมันเอง จากกฎหมาย Lenz กระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำจะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงภายในฟลักซ์ที่ไหลผ่านวงแหวน เมื่อแหวนวางอยู่ในสภาพตัวนำยิ่งยวดการไหลของกระแสไฟฟ้าจะถูกกระตุ้นให้ดำเนินการต่อการไหลของกระแสเรียกว่ากระแสคงที่ กระแสนี้จะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กเพื่อให้ฟลักซ์ไหลตลอดวงแหวนคงที่

ความแตกต่างระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และตัวนำยิ่งยวด

ความแตกต่างระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และตัวนำยิ่งยวดจะกล่าวถึงด้านล่าง

การใช้งาน Super Conductor

การประยุกต์ใช้ตัวนำยวดยิ่งมีดังต่อไปนี้

• สิ่งเหล่านี้ใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องเร่งอนุภาคการขนส่ง มอเตอร์ไฟฟ้า , คอมพิวเตอร์, การแพทย์, ระบบส่งกำลัง ฯลฯ
• ตัวนำยิ่งยวดส่วนใหญ่ใช้ในการสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพในเครื่องสแกน MRI ดังนั้นจึงใช้หาร นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อแยกวัสดุแม่เหล็กและวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็ก
• ตัวนำนี้ใช้ในการส่งกำลังเป็นระยะทางไกล
• ใช้ในหน่วยความจำหรือหน่วยเก็บข้อมูล

คำถามที่พบบ่อย

1). ทำไมตัวนำยวดยิ่งจึงต้องเย็น?

การแลกเปลี่ยนพลังงานจะทำให้วัสดุร้อนขึ้น ดังนั้นการทำให้เซมิคอนดักเตอร์เย็นจึงจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนน้อยกว่าในการเคาะอิเล็กตรอนโดยประมาณ

2). ทองคำเป็นตัวนำยวดยิ่งหรือไม่?

ตัวนำที่ดีที่สุดที่อุณหภูมิห้องคือทองทองแดงและเงินไม่เปลี่ยนเป็นตัวนำยิ่งยวดเลย

3). เป็นตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิห้องได้หรือไม่?

ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องสามารถแสดงได้ ตัวนำยิ่งยวด ที่อุณหภูมิประมาณ 77 องศาฟาเรนไฮต์

4). เหตุใดจึงไม่มีความต้านทานในตัวนำยิ่งยวด

ในตัวนำยิ่งยวด ความต้านทานไฟฟ้า ลดลงอย่างไม่คาดคิดถึงศูนย์เนื่องจากการสั่นสะเทือนและข้อบกพร่องของอะตอมจะต้องทำให้เกิดความต้านทานภายในวัสดุในขณะที่อิเล็กตรอนเดินทางผ่าน

5). เหตุใดตัวนำยิ่งยวดจึงเป็น Diamagnet ที่สมบูรณ์แบบ

เมื่อวัสดุตัวนำยวดยิ่งถูกเก็บไว้ในสนามแม่เหล็กมันจะผลักฟลักซ์แม่เหล็กออกจากร่างกาย เมื่อเย็นตัวลงภายใต้อุณหภูมิวิกฤตจะแสดงให้เห็นถึงแม่เหล็กไฟฟ้าในอุดมคติ

ดังนั้นทั้งหมดนี้จึงเกี่ยวกับภาพรวมของตัวนำยิ่งยวด ตัวนำยิ่งยวดสามารถนำไฟฟ้าได้มิฉะนั้นจะถ่ายเทอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งโดยไม่มีความต้านทาน นี่คือคำถามสำหรับคุณตัวอย่างของตัวนำยิ่งยวดคืออะไร?
.