Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:08 • sest 21:44 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 00:00 • Sest 00:00 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 08:47 • Síðdegis: 21:08 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 02:49 • Síðdegis: 14:50 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hver er heimsins besti ofurleiðari?

Viðar Guðmundsson

Hér er einnig svarað í stuttu máli spurningu Edvards Jónssonar:
Hvað er ofurleiðari og að hvaða notum kemur hann?
Ofurleiðarar (e. superconductors) eru efni sem leiða rafstraum því sem næst án viðnáms. Ýmsir málmar, málmblöndur og fleiri efni verða ofurleiðandi þegar þau eru kæld niður undir alkul (0 K; absolute zero). Hollenski eðlisfræðingurinn Heike Kamerlingh Onnes fann þennan eiginleika efnisins fyrstur manna hjá kvikasilfri árið 1911. Hann hlaut Nóbelsverðlaun í eðlisfræði tveimur árum síðar fyrir þessa uppgötvun sína. Kennileg eða fræðileg skýring á ofurleiðni (superconductivity) fékkst ekki fyrr en árið 1957 þegar Bandaríkjamennirnir Bardeen, Cooper og Schrieffer settu fram kenningu sína sem við þá er kennd og oft kölluð BCS-kenningin. Þeir fengu Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1972.

Svarið við spurningunni um besta ofurleiðarann hefur breyst nokkrum sinnum á síðustu 18 árum. Fyrir 1996 voru málmar sem urðu ofurleiðandi á bilinu 30-32 K einu góðu ofurleiðararnir sem þekktir voru. Líkön á borð við BCS-kenninguna voru til af því hvernig þessir málmar breytast úr leiðurum í ofurleiðara við svokallaðan markhita (e. transition temperature).

Í grófum dráttum má segja að fasabreyting verði í rafeindakerfi málmanna. Sveiflur berast í sífellu um kristalgrind þeirra, en um hana flæða rafeindirnar. Þessar grindarsveiflur eða hljóðeindir (e. phonons) verða til þess að fyrir neðan markhitann víxlverka rafeindirnar ekki einungis með fráhrindikrafti vegna rafhleðslu sinnar, heldur verður einnig aðdráttarkraftur milli þeirra. Þessi aðdráttarkraftur, myndast vegna samverkunar hljóðeinda og rafeinda og veldur því að rafeindirnar mynda svo kölluð Cooper-pör. Þær týna upprunalegum eiginleikum sínum og sagt er að sýndareindir kerfisins séu Cooper-pör rafeinda sem hafa allt aðra eiginleika en venjulegar rafeindir. Kerfið verður þannig ofurleiðandi. Nokkuð ljóst var að ekki fyndist málmur með hærri markhita en áður var nefnt, 30-32 K.

Árið 1996 fundu Bednorz og Müller keramikefni (LaBaCuO) með verulega hærri markhita en ofurleiðandi málmar hafa, ári seinna fannst annað skylt efni (YBaCuO) með markhita 93 K og skömmu síðar enn annað með markhita 125 K. Öllu þessi efni eru einangrarar fyrir ofan markhitann, öfugt við málmana sem eru leiðandi fyrir ofan markhita sinn. Ljóst var að ekki var hægt að skilja ofurleiðni þessara nýju efna á sama hátt og ofurleiðni málmanna. Flest þessara efna eru stökk og erfitt að gera úr þeim víra. Þau ganga undir nafninu háhitaofurleiðarar (high temperature superconductors).

Eftir að síðastnefndu efnin fundust skiptir ekki lengur höfuðmáli hversu háu markhitastigi verður hægt að ná. Það er komið upp fyrir suðumark köfnunarefnis (77 K) sem er miklu hentugri og ódýrari kælimiðill en fljótandi helín sem nota þarf á ofurleiðandi málma. Jafnvel þótt efni fyndist sem væri ofurleiðandi við herbergishita er hægt að sjá fyrir að það væri ekki betra til orkuflutninga en þau sem nú eru þekkt.

Það kemur nokkuð á óvart að enn hefur ekki fengist ein góð mynd af því hvernig þessi efni verða ofurleiðandi. Samt sem áður er unnið af fullum krafti að hagnýtingu þessara nýju efna. Miklar framfarir hafa orðið í framleiðslu hentugra víra og verið er að grafa fyrstu ofurleiðandi leiðsluna til orkuflutnings í jörð í Bandaríkjunum.

Á síðasta ári (2001) hefur þó nokkuð verið um fréttir af nýjum ofurleiðandi efnum og því er ljóst að við erum enn langt frá því að vita allt sem við viljum vita um ofurleiðni!

Áhugaverðir tenglar um ofurleiðni:

Höfundur

Viðar Guðmundsson

Viðar Guðmundsson

prófessor í eðlisfræði við HÍ

Útgáfudagur

28.1.2002

Spyrjandi

Kristófer Kristófersson, f. 1985

Efnisorð

Tilvísun

Viðar Guðmundsson. „Hver er heimsins besti ofurleiðari?“ Vísindavefurinn, 28. janúar 2002. Sótt 28. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=2077.

Viðar Guðmundsson. (2002, 28. janúar). Hver er heimsins besti ofurleiðari? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=2077

Viðar Guðmundsson. „Hver er heimsins besti ofurleiðari?“ Vísindavefurinn. 28. jan. 2002. Vefsíða. 28. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=2077>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hver er heimsins besti ofurleiðari?
Hér er einnig svarað í stuttu máli spurningu Edvards Jónssonar:

Hvað er ofurleiðari og að hvaða notum kemur hann?
Ofurleiðarar (e. superconductors) eru efni sem leiða rafstraum því sem næst án viðnáms. Ýmsir málmar, málmblöndur og fleiri efni verða ofurleiðandi þegar þau eru kæld niður undir alkul (0 K; absolute zero). Hollenski eðlisfræðingurinn Heike Kamerlingh Onnes fann þennan eiginleika efnisins fyrstur manna hjá kvikasilfri árið 1911. Hann hlaut Nóbelsverðlaun í eðlisfræði tveimur árum síðar fyrir þessa uppgötvun sína. Kennileg eða fræðileg skýring á ofurleiðni (superconductivity) fékkst ekki fyrr en árið 1957 þegar Bandaríkjamennirnir Bardeen, Cooper og Schrieffer settu fram kenningu sína sem við þá er kennd og oft kölluð BCS-kenningin. Þeir fengu Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1972.

Svarið við spurningunni um besta ofurleiðarann hefur breyst nokkrum sinnum á síðustu 18 árum. Fyrir 1996 voru málmar sem urðu ofurleiðandi á bilinu 30-32 K einu góðu ofurleiðararnir sem þekktir voru. Líkön á borð við BCS-kenninguna voru til af því hvernig þessir málmar breytast úr leiðurum í ofurleiðara við svokallaðan markhita (e. transition temperature).

Í grófum dráttum má segja að fasabreyting verði í rafeindakerfi málmanna. Sveiflur berast í sífellu um kristalgrind þeirra, en um hana flæða rafeindirnar. Þessar grindarsveiflur eða hljóðeindir (e. phonons) verða til þess að fyrir neðan markhitann víxlverka rafeindirnar ekki einungis með fráhrindikrafti vegna rafhleðslu sinnar, heldur verður einnig aðdráttarkraftur milli þeirra. Þessi aðdráttarkraftur, myndast vegna samverkunar hljóðeinda og rafeinda og veldur því að rafeindirnar mynda svo kölluð Cooper-pör. Þær týna upprunalegum eiginleikum sínum og sagt er að sýndareindir kerfisins séu Cooper-pör rafeinda sem hafa allt aðra eiginleika en venjulegar rafeindir. Kerfið verður þannig ofurleiðandi. Nokkuð ljóst var að ekki fyndist málmur með hærri markhita en áður var nefnt, 30-32 K.

Árið 1996 fundu Bednorz og Müller keramikefni (LaBaCuO) með verulega hærri markhita en ofurleiðandi málmar hafa, ári seinna fannst annað skylt efni (YBaCuO) með markhita 93 K og skömmu síðar enn annað með markhita 125 K. Öllu þessi efni eru einangrarar fyrir ofan markhitann, öfugt við málmana sem eru leiðandi fyrir ofan markhita sinn. Ljóst var að ekki var hægt að skilja ofurleiðni þessara nýju efna á sama hátt og ofurleiðni málmanna. Flest þessara efna eru stökk og erfitt að gera úr þeim víra. Þau ganga undir nafninu háhitaofurleiðarar (high temperature superconductors).

Eftir að síðastnefndu efnin fundust skiptir ekki lengur höfuðmáli hversu háu markhitastigi verður hægt að ná. Það er komið upp fyrir suðumark köfnunarefnis (77 K) sem er miklu hentugri og ódýrari kælimiðill en fljótandi helín sem nota þarf á ofurleiðandi málma. Jafnvel þótt efni fyndist sem væri ofurleiðandi við herbergishita er hægt að sjá fyrir að það væri ekki betra til orkuflutninga en þau sem nú eru þekkt.

Það kemur nokkuð á óvart að enn hefur ekki fengist ein góð mynd af því hvernig þessi efni verða ofurleiðandi. Samt sem áður er unnið af fullum krafti að hagnýtingu þessara nýju efna. Miklar framfarir hafa orðið í framleiðslu hentugra víra og verið er að grafa fyrstu ofurleiðandi leiðsluna til orkuflutnings í jörð í Bandaríkjunum.

Á síðasta ári (2001) hefur þó nokkuð verið um fréttir af nýjum ofurleiðandi efnum og því er ljóst að við erum enn langt frá því að vita allt sem við viljum vita um ofurleiðni!

Áhugaverðir tenglar um ofurleiðni:

...