Suprajohde | aine, joka johtaa sähköä ilman vastusta
Suprajohde on aine, joka johtaa sähköä ilman vastusta, kun se kylmenee "kriittistä lämpötilaa" kylmemmäksi. Tässä lämpötilassa elektronit voivat liikkua vapaasti materiaalin läpi. Suprajohteet eroavat tavallisista johtimista, kuten kuparista. Tavalliset johtimet menettävät vastuksensa (muuttuvat johtavammiksi) hitaasti, kun ne kylmenevät. Suprajohteet sen sijaan menettävät vastustuksensa kerralla. Tämä on esimerkki faasimuutoksesta. Suuret magneettikentät tuhoavat suprajohtavuuden ja palauttavat normaalin johtavan tilan. Esimerkkejä suprajohteista ovat metallit elohopea ja lyijy, keramiikka ja orgaaniset hiilinanoputket.
Normaalisti johtimessa liikkuva magneetti tuottaa sähkömagneettisen induktion avulla johtimessa virtaa. Suprajohde kuitenkin työntää magneettikentät kokonaan pois indusoimalla pintavirtoja. Sen sijaan, että suprajohde päästäisi magneettikentän läpi, se toimii kuin vastakkaiseen suuntaan osoittava magneetti, joka hylkii oikeaa magneettia. Tätä kutsutaan Meissner-ilmiöksi, ja se voidaan osoittaa leijuttamalla suprajohde magneettien yli tai päinvastoin.
Magneetti leijuu nestetypellä jäähdytetyn korkean lämpötilan suprajohteen yläpuolella. Suprajohteen pinnalla kulkee jatkuva sähkövirta. Tämä sulkee pois magneetin magneettikentän (Faradayn induktiolaki). Virta muodostaa sähkömagneetin, joka hylkii magneettia.
Selitys
Fyysikot selittävät suprajohtavuuden kuvaamalla, mitä tapahtuu, kun lämpötila laskee. Kiinteässä tai nestemäisessä aineessa oleva lämpöenergia ravistelee atomeja niin, että ne värähtelevät satunnaisesti, mutta tämä vähenee lämpötilan laskiessa. Elektroneilla on sama negatiivinen sähkövaraus, mikä saa ne hylkimään toisiaan. Korkeammissa lämpötiloissa jokainen elektroni käyttäytyy kuin se olisi vapaa hiukkanen. Elektronien välillä on kuitenkin myös hyvin heikko vetovoima, kun ne ovat kiinteässä aineessa tai nesteessä. Melko suurilla etäisyyksillä ( useita satoja nanometrejä toisistaan) ja matalissa lämpötiloissa (lähellä absoluuttista nollaa) vetovoima ja lämpöenergian puute mahdollistavat elektroniparien pysymisen yhdessä. Tätä kutsutaan cooper-pariksi, ja se on kvasihiukkanen, eli se käyttäytyy ikään kuin se olisi omanlaisensa uudenlainen hiukkanen, vaikka se koostuu kahdesta peruselektronista. Samassa nanometrin kokoisessa tilassa voi olla monta päällekkäistä cooper-paria. Koska paritetut elektronit muodostavat bosonin, kaikkien yhden suprajohteen sisällä olevien cooper-parien liikkeet synkronoituvat ja ne toimivat ikään kuin ne olisivat yksi kokonaisuus. Pienet häiriöt, kuten elektronien sironta, ovat tässä tilassa kiellettyjä, ja se liikkuu yhtenäisenä, eikä sen liikkeelle ole vastusta. Kyseessä on siis suprajohde.
Suprajohteiden historia
| 1911 | Heike Kamerlingh Onnesin löytämä suprajohtavuus | |
| 1933 | Walter Meissnerin ja Robert Ochsenfeldin havaitsema Meissnerin vaikutus | |
| 1957 | John Bardeenin, Leon Cooperin ja John Schriefferin esittämä teoreettinen selitys suprajohtavuudelle (BCS-teoria). | |
| 1962 | suprajohtavien Cooper-parien tunneloituminen eristysesteen läpi ennustetaan. | |
| 1986 | Alex Müller ja Georg Bednorz löysivät keraamisen suprajohteen. Keraamiset aineet ovat tavallisesti eristeitä. Lantaanin, bariumin, kuparin ja hapen yhdiste, jonka kriittinen lämpötila on 30 K. Avasi mahdollisuuksia uusille suprajohteille. | |
| 2020 | Huoneenlämmössä toimiva suprajohde löydetty |
Sovellukset
- Suprajohtava kvanttiinterferenssilaite (SQUID)
- Hiukkaskiihdyttimet
- Pienhiukkaskiihdyttimet terveydenhuollossa
- Levitoivat junat
- Ydinfuusio
- MRI-skanneri
- Ect.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on suprajohde?
A: Suprajohde on aine, joka johtaa sähköä ilman vastusta, kun se kylmenee "kriittistä lämpötilaa" kylmemmäksi. Tässä lämpötilassa elektronit voivat liikkua vapaasti materiaalin läpi.
K: Miten suprajohde eroaa tavallisesta johtimesta?
V: Tavalliset johtimet menettävät vastuksensa (muuttuvat johtavammiksi) hitaasti, kun ne kylmenevät. Sitä vastoin suprajohteet menettävät vastuksensa kerralla. Tämä on esimerkki faasimuutoksesta.
K: Mitä esimerkkejä suprajohteista on?
V: Esimerkkejä suprajohteista ovat metallit elohopea ja lyijy, keramiikka ja orgaaniset hiilinanoputket.
K: Miten johtajan ohi liikkuva magneetti vaikuttaa siihen?
V: Normaalisti johtimen ohi liikkuva magneetti tuottaa sähkömagneettisen induktion avulla johtimeen virtoja. Mutta suprajohde itse asiassa työntää magneettikentät kokonaan pois indusoimalla pintavirtoja.
K: Mikä on Meissnerin vaikutus?
V: Meissner-ilmiö tarkoittaa sitä, että sen sijaan, että magneettikenttä läpäisisi sen, suprajohde käyttäytyy kuin vastakkaiseen suuntaan osoittava magneetti, joka hylkii todellista magneettia. Tämä voidaan osoittaa leijuttamalla suprajohde magneetin yli tai päinvastoin.
Kysymys: Tuhoaako vai parantaako suuri magneettikenttä suprajohtavuutta?
V: Suuret magneettikentät tuhoavat suprajohtavuuden ja palauttavat normaalin johtavan tilan.
