Supergeleider | stof die elektriciteit geleidt zonder weerstand
Een supergeleider is een stof die elektriciteit geleidt zonder weerstand wanneer hij kouder wordt dan een "kritische temperatuur". Bij deze temperatuur kunnen elektronen vrij door het materiaal bewegen. Supergeleiders verschillen van gewone geleiders, zoals koper. Gewone geleiders verliezen hun weerstand (worden geleidend) langzaam als ze kouder worden. Supergeleiders daarentegen verliezen hun weerstand in één keer. Dit is een voorbeeld van een faseovergang. Hoge magnetische velden vernietigen de supergeleiding en herstellen de normale geleidende toestand. Enkele voorbeelden van supergeleiders zijn de metalen kwik en lood, keramiek en organische koolstofnanobuisjes.
Normaal produceert een magneet die langs een geleider beweegt stromen in de geleider door elektromagnetische inductie. Maar een supergeleider duwt magnetische velden juist helemaal weg door oppervlaktestromen te induceren. In plaats van het magnetische veld door te laten, gedraagt de supergeleider zich als een magneet die de andere kant op wijst en de echte magneet afstoot. Dit wordt het Meissner-effect genoemd, en het kan worden aangetoond door een supergeleider boven magneten te laten zweven of omgekeerd.
Een magneet zwevend boven een supergeleider van hoge temperatuur, gekoeld met vloeibare stikstof. Op het oppervlak van de supergeleider loopt een permanente elektrische stroom. Dit sluit het magnetische veld van de magneet uit (inductiewet van Faraday). In feite vormt de stroom een elektromagneet die de magneet afstoot.
Verklaring
Fysici verklaren supergeleiding door te beschrijven wat er gebeurt als de temperatuur koud wordt. De thermische energie in een vaste stof of vloeistof schudt de atomen zodat ze willekeurig gaan trillen, maar dit wordt minder naarmate de temperatuur daalt. Elektronen dragen dezelfde negatieve elektrische lading, waardoor ze elkaar afstoten. Bij hogere temperaturen gedraagt elk elektron zich alsof het een vrij deeltje is. Er is echter ook een zeer zwakke aantrekkingskracht tussen elektronen wanneer zij zich in een vaste stof of vloeistof bevinden. Op vrij grote afstanden (vele honderden nanometers van elkaar) en bij lage temperaturen (nabij het absolute nulpunt) kunnen elektronenparen door de aantrekkingskracht en het gebrek aan thermische energie aan elkaar hangen. Dit wordt een cooperpaar genoemd en het is een quasideeltje, dat wil zeggen dat het zich gedraagt alsof het een nieuw soort deeltje op zich is, ook al bestaat het uit twee fundamentele elektronen. Er kunnen veel overlappende cooperparen bestaan in dezelfde nanometer grote ruimte. Aangezien gepaarde elektronen een boson vormen, synchroniseren de bewegingen van alle cooperparen binnen één supergeleider en functioneren zij alsof zij één entiteit zijn. Kleine verstoringen zoals verstrooiing van elektronen zijn in deze toestand verboden en het beweegt als één geheel zonder weerstand tegen zijn beweging. Het is nu dus een supergeleider.
Geschiedenis van supergeleiders
| 1911 | supergeleiding ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes | |
| 1933 | het Meissner-effect ontdekt door Walter Meissner en Robert Ochsenfeld | |
| 1957 | theoretische verklaring voor supergeleiding, voorgesteld door John Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer (BCS-theorie). | |
| 1962 | de tunneling van supergeleidende Cooperparen door isolerende barrière voorspeld | |
| 1986 | Een keramische supergeleider werd ontdekt door Alex Müller en Georg Bednorz. Keramiek is normaal gesproken een isolator. Een verbinding van lanthaan, barium, koper en zuurstof met een kritische temperatuur van 30K. Opende de mogelijkheden voor nieuwe supergeleiders. | |
| 2020 | Supergeleider ontdekt die functioneert bij kamertemperatuur |
Toepassingen
- Supergeleidend kwantuminterferentieapparaat (SQUID)
- Deeltjesversnellers
- Kleine deeltjesversnellers in de gezondheidszorg
- Zwevende treinen
- Kernfusie
- MRI-scanner
- Ect.
Vragen en antwoorden
V: Wat is een supergeleider?
A: Een supergeleider is een stof die elektriciteit geleidt zonder weerstand wanneer hij kouder wordt dan een "kritische temperatuur". Bij deze temperatuur kunnen elektronen vrij door het materiaal bewegen.
V: Waarin verschilt een supergeleider van een gewone geleider?
A: Gewone geleiders verliezen langzaam hun weerstand (worden geleidender) naarmate zij kouder worden. Supergeleiders daarentegen verliezen hun weerstand in één keer. Dit is een voorbeeld van een faseovergang.
V: Wat zijn enkele voorbeelden van supergeleiders?
A: Enkele voorbeelden van supergeleiders zijn de metalen kwik en lood, keramiek en organische koolstofnanobuisjes.
V: Welk effect heeft een magneet die door een geleider beweegt?
A: Normaal produceert een langs een geleider bewegende magneet stromen in de geleider door elektromagnetische inductie. Maar een supergeleider duwt in feite de magnetische velden volledig weg door oppervlaktestromen te induceren.
V: Wat is het Meissner-effect?
A: Het Meissner-effect treedt op wanneer de supergeleider, in plaats van het magnetische veld door te laten, zich gedraagt als een magneet die de andere kant op wijst, waardoor de echte magneet wordt afgestoten. Dit kan worden aangetoond door een supergeleider over magneten te laten zweven of omgekeerd.
V: Vernietigt of versterkt een hoog magnetisch veld supergeleiding?
A: Hoge magneetvelden vernietigen de supergeleiding en herstellen de normale geleidende toestand.
