Ce que vous voyez ici, c'est l'effet Meissner, ou l'expulsion d'un champ magnétique d'un supraconducteur lors de sa transition vers son état supraconducteur. Image reproduite avec l'aimable autorisation du Laboratoire national d'Argonne L'une des règles non écrites de la physique dit que vous ne pouvez pas obtenir quelque chose pour rien; au mieux, vous pouvez gérer un taux de change équitable entre la quantité d'énergie que vous injectez dans un système et la quantité que vous en extrayez.
Pensez à votre voiture :en moyenne, seulement 12,6 % de l'énergie chimique que vous injectez à plus de 3,50 $ (ou tout ce que vous payez) par gallon se traduit en mouvement. Le reste va à surmonter la traînée, inertie et autres inefficacités mécaniques, avec un énorme 62,4% consommé par la friction du moteur, pompes à air et chaleur résiduelle [source :California Energy Commission].
La chaleur surgit dans toutes sortes de systèmes. Comme un détourneur d'énergie, il survole les réactions chimiques, systèmes physiques et circuits électriques. Que ce soit la conséquence d'une perte d'efficacité ou sa cause, le résultat est que vous prenez une perte dans l'affaire. La chaleur est la raison pour laquelle nous ne pouvons pas réaliser un mouvement perpétuel (ou un mouvement qui ne s'arrête jamais).
C'est également la raison pour laquelle les centrales électriques doivent augmenter le courant à des tensions élevées lorsqu'elles le transmettent à travers le pays :pour surmonter l'énergie perdue pour la résistance -- la contrepartie électrique du frottement. Imaginez si nous pouvions trouver un moyen d'éliminer la résistance, éliminant ainsi les pertes d'énergie :pas de frais de service, pas d'impôts et pas d'argent de protection. Énergie entrante =Énergie sortante.
Entrez les supraconducteurs. Si les trois lois de la thermodynamique disent qu'il n'y a pas de repas gratuit, alors les supraconducteurs ont leur gâteau et le mangent, trop. Envoyer du courant à travers un fil supraconducteur, et il ne perd aucune énergie à la résistance. Pliez le fil en boucle, et il tiendra la charge indéfiniment. Faites-le léviter au-dessus d'un aimant, et le soleil dévorera la Terre avant qu'elle ne tombe.
Peu de temps après sa découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et ses collaborateurs, Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim et Gilles Holst, la supraconductivité a inspiré des rêves de transmission électrique sans perte. Malheureusement, il y avait un hic.
Les supraconducteurs nécessitent des températures très froides, de l'ordre de 39 kelvins (moins 234 C, moins 389 F) pour les supraconducteurs conventionnels. Le fil de mercure solide utilisé par Kamerlingh Onnes exigeait des températures inférieures à 4,2 K (moins 269,0 C, moins 452,1 F). Même les supraconducteurs dits à haute température n'exercent leur magie qu'en dessous de 130 K (moins 143 C, moins 225,7 F).
Pour empirer les choses, les supraconducteurs quittent leur état sans résistance s'ils sont exposés à un champ magnétique trop important ou à trop d'électricité.
Tout n'était pas perdu, toutefois. supraconducteurs modernes, comme le niobium-titane (NbTi), ont relevé la barre de la charge magnétique qu'ils peuvent tolérer. Leurs champs magnétiques supérieurs les rendent utiles dans certains trains maglev, ainsi que dans les accélérateurs de protons, comme celui du Fermilab, ou appareils d'IRM, leur application la plus courante. Dans le futur proche, les chercheurs espèrent les utiliser dans les technologies énergétiques émergentes, comme les systèmes de stockage d'énergie ou les éoliennes à haut rendement.
Avant d'examiner les manières choquantes dont les supraconducteurs contournent la résistance, Voyons comment fonctionne la résistance.
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L'une des applications les plus intéressantes des supraconducteurs doit être les trains maglev. Roulez en un dans cette vidéo "Extreme Engineering". Découverte Certains conducteurs sont meilleurs que d'autres; la clé est l'organisation. De bons chefs de train assurent le bon fonctionnement des chemins de fer - et Arturo Toscanini a fait jouer l'Orchestre symphonique de la NBC à temps - en rassemblant des éléments complexes dans des systèmes ordonnés.
Les bons conducteurs électriques présentent une organisation tout aussi harmonieuse mais doivent faire face à une résistance. En réalité, la résistance est ce qui sépare les conducteurs conventionnels de leurs cousins surpuissants.
Pensez aux électrons libres dans un conducteur typique comme à des gens qui se promènent dans un terminal de train. Un courant appliqué est comme la cloche annonçant l'arrivée du train :en un instant, les mouvements individuels se transforment en un seul, mouvement uni vers les plates-formes - ou serait, s'il n'y avait pas quelques fauteurs de troubles qui trébuchent, bousculade, tergiverser dans les kiosques à journaux ou refuser de céder le passage à l'escalator. Grâce à la résistance qu'ils offrent, certains voyageurs ratent le train, et le courant perd de l'énergie. Telle est la vie dans Conductor Terminal.
Maintenant, remplacer ces voyageurs par un flash mob infiltré. A la cloche, ils s'associent et effectuent une synchronisation, danse chorégraphiée à travers le terminal. Personne ne rate le train, et ils sont tous moins fatigués quand ils y arrivent. C'est la merveille de voyager dans la Station supraconductrice.
Avant d'étudier les étapes de cette particule pas de deux, cependant, Prenons du recul et examinons comment la résistance brouille les matériaux banals. Nous commencerons simplement et ajouterons de la complexité au fur et à mesure.
Bien qu'il existe des exceptions, quand on dit courant électrique , nous entendons généralement un flux d'électrons traversant un milieu. La capacité d'un matériau à conduire l'électricité est liée à la facilité avec laquelle ses atomes qui le composent donnent des électrons. Les isolants sont avares, tandis que les chefs de train dépensent le leur comme des marins en congé à terre.
Les électrons donnés, maintenant connu sous le nom électrons de conductance , ne gravitent pas autour d'atomes individuels mais flottent plutôt librement dans le conducteur, comme nos navetteurs de train ci-dessus. Lorsqu'un courant est appliqué, ils traversent le matériau et transmettent de l'électricité.
Un conducteur est constitué d'un réseau d'atomes; pour que l'électricité circule, les électrons doivent se déplacer à travers ce réseau avec le moins d'interférences possible. Comme un tas de balles de tennis lancées dans une jungle, il y a de bonnes chances que certains électrons frappent le réseau. Les risques d'interférence augmentent si les zones sont déformées. Ainsi, il est facile de voir comment les défauts matériels constituent une cause de résistance dans les conducteurs.
Dans cette analogie de la jungle gym, les atomes sont représentés par les intersections de tiges métalliques. En réalité, le treillis d'un conducteur n'est pas rigide ; ses atomes vibrent, et les interactions qui les relient oscillent, il vaut donc mieux le considérer comme une grille de ressorts. Qu'est-ce qui fait vibrer ces atomes ? Plus la température est élevée, plus le réseau vibre, et plus nos balles de tennis sont susceptibles de se heurter à des interférences. Craie la deuxième grande source de résistance à notre vieil ami, Chauffer.
Cela soulève la question :si la chaleur est le problème, le froid n'est peut-être pas la réponse ? Détendez-vous une seconde :nous y reviendrons dans la section suivante.
Si la chaleur augmente la résistance, puis baisser le thermostat devrait le diminuer, droit? Bien, Cela fait, Sans limite. Dans les conducteurs normaux, la résistance chute à mesure que le thermomètre baisse, mais il ne disparaît jamais. Les supraconducteurs fonctionnent un peu différemment.
Lorsqu'un supraconducteur se refroidit, il suit une courbe similaire de diminution progressive de la résistance jusqu'à ce qu'il atteigne sa valeur particulière température critique ; alors, brusquement, toute résistance disparaît. C'est comme si la résistance perdait lentement un bras de fer avec la conductance et puis, frustré, lâcher la corde. Réellement, la substance subit une transition de phase . Comme la glace qui fond dans l'eau, le matériau conventionnel prend un nouvel état, un avec une résistance nulle.
Pour comprendre ce qui se passe ici, nous devons apporter quelques modifications à notre salle de gym atomique de la jungle. Spécifiquement, nous devons commencer à prendre en compte le magnétisme.
Lorsque les atomes d'un conducteur cèdent des électrons, ils deviennent des ions chargés positivement, provoquant une attraction nette entre le réseau atomique et les électrons chargés négativement qui le traversent. En d'autres termes, comme si les vibrations et les déformations ne suffisaient pas, les balles de tennis que nous lançons dans notre jungle gym oscillante sont des aimants. Vous pourriez supposer que cela augmenterait leurs chances de rencontrer une résistance en traversant notre grille bancale, et vous auriez raison - pour les conducteurs normaux. supraconducteurs, cependant, l'utiliser à leur avantage.
Imaginez une paire de balles de tennis lancées à travers la grille, l'un chaud sur la queue de l'autre. Lorsque la première balle traverse le réseau chargé positivement, il attire vers lui les atomes environnants. En se rassemblant, ces atomes créent une zone locale de charge positive plus élevée, ce qui augmente la force tirant le deuxième électron vers l'avant. Par conséquent, l'énergie dépensée pour passer, en moyenne, l'équilibre.
Comme des danseuses carrées, ces Paires de tonnelier se former et se briser constamment, mais l'effet global se perpétue sur toute la ligne, permettant aux électrons de traverser le supraconducteur comme un éclair graissé.
Les paires de Cooper portent le nom du physicien Leon N. C ooper qui, avec Jean B Ardeen et John Robert S chrieffer, a avancé le premier modèle réussi expliquant la supraconductivité dans les supraconducteurs conventionnels. Leur réalisation, connu comme le Théorie BCS en leur honneur, leur a valu le prix Nobel de physique 1972.
La supraconductivité a refusé de rester coincée longtemps, toutefois; peu de temps après que la théorie BCS ait atteint son apogée sur le terrain, les chercheurs ont commencé à découvrir d'autres supraconducteurs, tels que les oxydes de cuivre supraconducteurs à haute température, qui ont brisé le modèle BCS.
Dans cette prochaine section, nous verrons ce qui distingue ces supraconducteurs exotiques des autres.
Ondulation permanenteLa mécanique quantique nous dit que les électrons présentent à la fois des propriétés de particules et d'ondes. Ainsi, conceptualiser la résistance et la supraconductivité, vous devez imaginer les électrons comme des ondes se propageant à travers un matériau, comme des ondulations sur un étang. La résistance causée par les vibrations des ions excités s'apparente à des pierres jetées dans ce lac, créant des contre-ondulations qui interfèrent avec ou annulent l'onde électronique. La différence entre les conducteurs normaux et les supraconducteurs réside dans le degré d'organisation impliqué. Dans les supraconducteurs, tous les électrons prennent une vitesse et une direction presque identiques, formant un seul, vague organisée qui résiste aux perturbations.
Selon la façon dont vous tranchez la tarte, il existe soit de nombreux types de supraconducteurs, soit seulement deux. Du point de vue de leur comportement dans les champs magnétiques, cependant, les scientifiques les classent généralement en deux groupes.
UNE supraconducteur de type I est généralement fait d'un métal pur. Lorsqu'il est refroidi en dessous de sa température critique, un tel matériau présente une résistivité électrique nulle et affiche une parfaite diamagnétisme , ce qui signifie que les champs magnétiques ne peuvent pas le pénétrer lorsqu'il est à l'état supraconducteur.
supraconducteurs de type II sont généralement des alliages, et leur diamagnétisme est plus complexe. Pour comprendre pourquoi, nous devons examiner comment les supraconducteurs réagissent au magnétisme.
Tout comme chaque supraconducteur a une température critique qui fait ou casse son état supraconducteur, chacun est également soumis à un champ magnétique critique . Un supraconducteur de type I entre et sort de l'état supraconducteur à un tel seuil, mais un matériau de type II change deux fois d'état, à deux seuils de champ magnétique différents.
La distinction entre les matériaux de type I et de type II ressemble à la différence entre la neige carbonique (dioxyde de carbone solide) et la glace d'eau. Les deux solides refroidissent bien, mais ils gèrent la chaleur différemment :la glace d'eau fond dans un état mélangé, l'eau glacée, alors que la glace sèche sublime :A pression normale, il passe directement du solide au gaz.
En ce qui concerne le magnétisme, un supraconducteur de type I est comme de la glace sèche :lorsqu'il est exposé à son champ critique, sa supraconductivité brûle instantanément. Un Type II est plus polyvalent.
Alors que dans un champ faible, un matériau de type II présente un comportement similaire à un matériau de type I, tout comme H
Que signifie cet état mixte pour le magnétisme ? Nous avons discuté de ce qui se passe lorsqu'un supraconducteur se réchauffe. Maintenant, regardons-le de l'autre côté.
Dans leur normalité, états chauds, les matériaux de type I et de type II permettent aux champs magnétiques de les traverser, mais à mesure qu'ils se refroidissent vers leurs températures critiques, ils expulsent de plus en plus ces champs; les électrons dans le matériau créent des courants de Foucault qui produisent un contre-champ, un phénomène connu sous le nom de Effet Meissner .
Lorsqu'ils atteignent leur température critique, Les supraconducteurs de type I évacuent tout champ magnétique restant comme tant de colocataires mauvais payeurs. Selon la force du champ magnétique dans lequel ils existent, Les champs de type II peuvent faire la même chose - ou ils peuvent devenir un peu collants. S'ils sont dans un état de vortex , le champ magnétique qui traverse encore les îlots de matière normale dans leurs courants supraconducteurs peut se bloquer, un phénomène connu sous le nom épinglage de flux (voir encadré) Le flux magnétique est une mesure de la quantité de champ magnétique traversant une surface donnée.
Parce qu'ils peuvent rester supraconducteurs dans ce champ magnétique plus fort, Les matériaux de type II comme le niobium-titane (NbTi) sont de bons candidats pour le type d'aimants supraconducteurs trouvés dans, dire, Accélérateur de protons du Fermilab ou dans les machines IRM.
Quand les grenouilles volentEn 2000, Andre Geim et Sir Michael Berry ont remporté le prix Ig Nobel de physique en faisant léviter une grenouille, ainsi que de l'eau et des noisettes, à l'aide d'un supraconducteur et d'un diamagnétisme. Bien que nous ayons tendance à considérer l'eau et les tissus organiques comme non magnétiques, certains éléments et la plupart des composés présentent un effet répulsif très faible lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique puissant. Les physiciens utilisent également le diamagnétisme pour faire léviter de manière stable les supraconducteurs. L'astuce réside dans les supraconducteurs de type II comme l'oxyde d'yttrium baryum cuivre, qui laissent passer un certain champ magnétique et le fixent en place. La vidéo de « lévitation quantique » qui est devenue virale sur le Web en 2011 a illustré ce type de lévitation, dans lequel le magnétisme et le diamagnétisme se combinent pour maintenir le lévitateur parfaitement immobile, contrairement aux matériaux de type I, qui lévitent régulièrement mais vacillent, ou des ferroaimants, qui ne peut pas léviter de manière stable sans aide extérieure.
Les applications industrielles et scientifiques des supraconducteurs sont limitées par les conditions de température particulières dont ils ont besoin pour travailler leur mojo électromagnétique, il est donc logique de classer les matériaux en fonction de leurs températures critiques et de leurs exigences de pression.
Des centaines de substances, comprenant 27 éléments métalliques - tels que l'aluminium, mener, le mercure et l'étain deviennent des supraconducteurs à basse température et pression. 11 autres éléments chimiques - dont le sélénium, silicium et uranium -- transition vers un état supraconducteur à basse température et haute pression [source :Encyclopaedia Britannica].
Jusqu'en 1986, lorsque les chercheurs d'IBM Karl Alexander Mulller et Johannes Georg Bednorz ont inauguré l'ère de supraconducteurs à haute température avec un oxyde de baryum-lanthane-cuivre qui atteint une résistance nulle à 35 K (moins 238 C, moins 397 F), la température critique la plus élevée atteinte par un supraconducteur mesurait 23 K (moins 250 C, moins 418 F). Tel supraconducteurs à basse température refroidissement nécessaire par hélium liquide, qui était difficile à produire et avait tendance à casser les budgets [source :Haldar et Abetti]. Les supraconducteurs à haute température portent la plage de température jusqu'à environ 130 K (moins 143 C, moins 226 F), ce qui signifie qu'ils peuvent être refroidis à l'aide d'azote liquide fabriqué à bas prix à partir de l'air [source :Mehta].
Bien que les physiciens comprennent les mécanismes régissant les supraconducteurs à basse température, qui suivent le modèle BCS, les supraconducteurs à haute température restent énigmatiques [source :CERN]. Le Saint Graal serait de réaliser un matériau à résistance nulle à température ambiante, mais jusqu'à présent, ce rêve reste insaisissable. Peut-être que cela ne peut pas être fait ou, peut-être, comme d'autres révolutions scientifiques, il se trouve juste au-dessus de l'horizon, en attendant l'innovation technologique ou théorique nécessaire pour faire du rêve une réalité.
En attendant, les puissants avantages offerts par les supraconducteurs suggèrent un large éventail d'applications présentes et futures dans les domaines de l'énergie électrique, transport, imagerie médicale et diagnostic, résonance magnétique nucléaire (RMN), transformation industrielle, physique des hautes énergies, communications sans fil, instrumentation, capteurs, radar, informatique haut de gamme et même cryogénie [source :CCAS].
En plus du maglev, Les applications IRM et accélérateur de particules évoquées plus haut, les supraconducteurs sont actuellement utilisés commercialement en spectroscopie RMN, un outil clé pour la biotechnologie, génomique, travaux de recherche pharmaceutique et de science des matériaux. L'industrie les applique également dans un procédé magnétique pour séparer l'argile de kaolin, une charge courante dans les produits en papier et en céramique.
Quant à l'avenir, si les chercheurs et les fabricants peuvent surmonter les limites de coût des supraconducteurs, réfrigération, fiabilité et acceptation, le ciel est la limite. Certains voient les technologies vertes, comme les moulins à vent, comme la prochaine étape dans une acceptation et une application plus répandues de la technologie, mais de plus grandes possibilités se profilent.
Qui sait? Peut-être qu'un futur lecteur lira cet article sur un ordinateur équipé de processeurs à vitesse proche de la lumière, connecté à un réseau alimenté par des réacteurs à fusion, le tout grâce à la supraconductivité.
Vive la différenceLes supraconducteurs ont une résistivité plus que nulle; ils offrent également une densité de transport de courant extrêmement élevée, résistance exceptionnellement faible aux hautes fréquences, très faible dispersion du signal et sensibilité élevée aux champs magnétiques. Ils excluent les champs magnétiques appliqués de l'extérieur, présentent des comportements quantiques inhabituels et sont capables de transmettre des signaux à une vitesse proche de la lumière. Cette combinaison de facteurs réécrit effectivement les règles des industries électromagnétiques et suggère de nombreuses innovations possibles, y compris l'amélioration de la transmission de l'énergie électrique, génération et stockage; plus petite, des aimants plus puissants pour les moteurs ; équipement médical de pointe; composants hyperfréquences améliorés pour les communications et les applications militaires; capteurs largement amplifiés; et en utilisant des champs magnétiques pour contenir des particules chargées.
