Välkommen till Resurscentrums frågelåda!

 

Vill du ha ett snabbt svar - sök i databasen: Anpassad Google-sökning
(tips för sökningen).
Använd diskussionsforum om du vill diskutera något.
Senaste frågorna. Veckans fråga.

7 frågor/svar hittade

Elektricitet-Magnetism [19430]

Fråga:
Vad gör vissa ämnen supraledande?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej, jag undrar vad som gör vissa ämnen supraledande? Måste det finnas en halvmetall med? Och varför blir ämnen bara supraledande vid låga temperaturer? Tacksam för svar!
/Johanna L

Svar:
Wikipedia (Supraledare ) definierar supraledning:

Supraledning är ett fenomen i fasta tillståndets fysik som uppträder under en viss kritisk temperatur (ofta betecknad Tc) i vissa material. Ett supraledande material karakteriseras av sin oändligt stora elektriska ledningsförmåga och av att det inte kan innehålla något magnetiskt fält i innandömet (Meissnereffekten). Fenomenet förklaras teoretiskt av att elektronerna vid tillräckligt låga temperaturer parar ihop sig till Cooper-par.

Supraledning finns vid tillräckligt låga temperaturer hos vissa metaller och även keramiska ämnen. Det finns ämnen som är supraledande vid så hög temperatur att man kan använda billigt och lättillgängligt flytande kväve som kylmedel (kokpunkt 77 K).

Supraledning är ganska komplext och det finns olika förklaringar och fenomenet är inte helt förstått, speciellt när det gäller högtemperatursupraledare. Den klassiska förklaringen är BCS-teorin (se BCS_theory ).

I en vanlig ledare (typiskt en metall) sker laddningstransporten med fria elektroner, se fråga 9549 . Elektronerna kolliderar med atomerna i gittret och i en del av dessa kollisioner förlorar elektronen energi som värmer upp ledaren. Denna uppvärmning av ledaren är oftast oönskad eftersom den innebär en energiförlust (ledningsresistans).

I vissa ledare vid låg temperatur slår sig elektronerna ihop två och två med motsatt spinn (+1/2.-1/2). Man får då vad man kallar ett Cooper-par med spinnet 0. Dessa Cooper-par leder strömmen i stället för fria elektroner. På grund av kvantmekaniken är den emellertid två avgörande skillnader:

1 Eftersom ett Cooper-par har heltaligt spinn (0) är de bosoner och behöver till skillnad från fermioner (halvtaligt spinn) inte lyda pauliprincipen, se fråga 18298 . Alla Cooper-par kan då befinna sig i det lägsta tillståndet, grundtillståndet. Detta kallas Bose-Einstein-kondensat, se fråga 1136 .

2 Energin i grundtillståndet är för liten för att Cooper-paren skall kunna växelverka med gittret. Detta betyder att kollisioner blir "förbjudna" och Cooper-paren kan röra sig obehindrat, det vill säga att resistansen är noll.

I figuren nedan visas resistiviteten (grön kurva) som funktion av temperaturen. Man ser att resistiviteten är exakt noll för temperaturer mindre än Tc. Den blå kurvan visar specifik värmekapacitet. Man ser att även denna påverkas vid fasövergången T=Tc.

Se även Superconductivity .



/Peter E

Nyckelord: supraledning [7]; pauliprincipen [10]; resistans [11]; specifik värmekapacitet [21]; Bose-Einstein-kondensat [6];

*

Elektricitet-Magnetism [16775]

Fråga:
Kan man få en magnet att sväva genom att använda repulsion?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Kan man få en magnet att sväva genom att använda repulsion? I så fall hur.
/Lars-Göran N, Kristianstad

Svar:
Lars-Göran! Nej inte utan viss stöttning eller speciella tricks, se nedan. Om du håller två stavmagneter med t.ex. sydpolerna vända mot varandra, så känner du att de repellerar varandra. Denna repulsion borde kunna användas för att få den ena magneten att sväva. Detta fungerar emellertid dåligt eftersom en lös magnet omedelbart roterar så att olika poler vänds mot varandra och magneterna kör ihop.

Magnetic_levitation säger om stabilitet:

Static stability means that any small displacement away from a stable equilibrium causes a net force to push it back to the equilibrium point.

Earnshaw's theorem proved conclusively that it is not possible to levitate stably using only static, macroscopic, paramagnetic fields. The forces acting on any paramagnetic object in any combination of gravitational, electrostatic, and magnetostatic fields will make the object's position unstable along at least one axis, and can be unstable along all axes. However, several possibilities exist to make levitation viable, for example, the use of electronic stabilization or diamagnetic materials; it can be shown that diamagnetic materials are stable along at least one axis, and can be stable along all axes.

Dynamic stability occurs when the levitation system is able to damp out any vibration-like motion that may occur.

Man kan emellertid åstadkomma stabila system med lite trick. Ett är att använda meissnereffekten (Meissner_effect ) genom att hålla upp en magnet med en skål av supraledande material, se nedanstående figur (längst ner i svaret) från Wikipedia Commons. Meissnereffekten innebär att alla magnetfält trängs ut ur en supraledare. Magneten vilar alltså på en "kudde" av fältlinjer. Eftersom alla fältlinjer trängs ut har det ingen betydelse hur den svävande magneten är orienterad, och om supraledaren utformas som en skål så ligger magneten stabilt i en "magnetfältsgrop".

Se även fråga 498 , länk 1 och Magnetic_levitation_train (Maglev ).

Tillägg 18/11/11

För så kallade högtemperatursuperledare som är typ II supraledare kan man få en mycket spektakulär effekt genom en process som kallas flux-låsning (Flux_pinning ). I detta fallet går magnetfältet in i supraledaren men låses fast av defekter i kristallen. Detta gör att den svävande supraledaren låses fast och är i ett stabilt läge nära magneten. Effekten beskrivs i nedanstående video och länk 2:

Flux pinning describes the interaction between a high temperature superconductor (HTSC) and a magnetic field. A member of Cornell's Space Systems Design Studio demonstrates the effect.


/Peter E

Nyckelord: supraledning [7]; magnetism [48];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/maglev.html#c1
2 http://www.spacecraftresearch.com/flux

*

Elektricitet-Magnetism [5066]

Fråga:
Hej jag har några frågor om supraledare.

1.Hur kom man fram till att ett flödeskvantum är 2 * 10^-15 Weber.

2.När vortexarna vid Hc1 börjar att tränga in i supraledaren tills att de helt fyller den vid Hc2 är en lång bit. Är Meissner-effekten så försvagad vid de höga magnetfält man behöver att man inte kan använda den praktiskt?

3.På vissa ställen står det att man använder sig av meissner-effekten i maglev-tåg. Är det inte så att man använder sig av supraledande spolar, eftersom Meissner-effekten försvagas av vortexar?

4.Vilket spinntal får ett Cooper-par enligt BSC-teorin 1 eller 0.

5.Är det riktigt att ett Cooper-par upträder som en Booson och att man därmed kan säga att man inte kan skilja Cooperparen åt, och den supraledande effekten beror på att elektronerna rör sig som ett stort kollektiv genom ledaren.

6.Är det sant att man kan packa en anordning bestående av supraledare-oxidskikt-supraledare så tätt att om man lade ner forskning så skulle denna slå ut dagens processorer? Man skulle då utnyttja sig av Josephsonströmmen och bryta denna med ett magnetfält från kontrollströmmen, vilket skulle ge en snabbare övergång mellan 1 och 0.
/Johan G, Gullstrand, Landskrona

Svar:
Vi kan börja med att hänvisa till Nationalencyklopedin supraledning . Artikeln är bra.

1. F London härledde magnetiskt flödeskvantum på 30-talet till hc/q, där h är Plancks konstant, c är ljushastigheten och q är de elektriska laddnigsbärarnas laddning. När man många år senare lyckades mäta q visade det sig att q = 2e, vilket kan tolkas som ett Cooper-par.

2. Du talar om supraledare av typ II. Det är just dessa som klarar höga magnetfält. I magneterna till LHC vid CERN produceras 10 T, vilket är 5 gånger mättnadsfältet i järn.

3. Se 2.

4. Cooper-paret har spin 0.

5. Det är ganska bra beskrivet.

6. Teoretiskt finns här möjligheter. Om det blir möjligt i praktiken är en annan sak.
/KS/lpe

Nyckelord: supraledning [7];

*

Elektricitet-Magnetism [2503]

Fråga:
Hej. Jag undrar en sak om supraledare. Är resistansen verkligen noll, eller ligger den så nära noll att man inte kan skilja den från noll? Finns det kanske nåt annat samband mellan spänning och ström?
/Markus S, Hjalmar Lundbohmsskolan, Kiruna

Svar:
Resistansen är verkligen noll i en supraledare, åtminstone enligt den vedertagna teorin. Man har genererat ström i en supraledare och hållit den kall i två år. Efter den tiden har inte strömmen ändrats på något mätbart sätt. Av detta experiment kan man dra slutsatsen, att resistiviteten i varje fall är mindre än 0.000000000001 av kopparens. Sedan finns begränsningar i andra faktorer, som till exempel strömtäthet. Spänningen över en supraledare är alltid noll. 
/KS

Se även fråga 146 och fråga 1580

Nyckelord: supraledning [7];

1 http://www.vxu.se/msi/fysik/FYB702/Supraledning.html
2 http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity

*

Elektricitet-Magnetism [498]

Fråga:
Jag och en kompis har som specialarbete tillverkat en supraledare. Den uppvisar meissnereffekt precis som den ska göra. Det är dock en sak vi undrar över. Om man lägger en magnet på supraledaren då den befinner sig i rumstemperatur, dvs normaltillståndet, lägger sig givetvis magneten rakt ned på supraledaren. När man sedan kyler hela systemet lyfts magneten dock upp en liten bit. Detta innebär ju en ökning i lägesenergi, med följden att ett arbete måste ha utförts. Hur kan detta ske då vi endast tagit bort energi från systemet genom att kyla det? Vi observerade även en annan sak som vi inte hittat några referenser till i någon litteratur. Om man försiktigt lägger ned magneten på supraledaren då den är supraledande kommer magneten att sväva ungefär en centimeter ovan för supraledaren. Om man sedan trycker ned magneten ungefär halvvägs och därefter släpper kommer magneten att stanna ca en halv centimeter ovanför ytan. Därefter finns det ytterligare ett läge, bara ett par millimeter ovanför supraledaren, där magneten kan stanna. Hur kommer det sig att magnet kan sväva olika högt på detta sätt? Till sist undrar jag hur man hittar information om supraledning inom medicin. Jag hade tänkt att födjupa mig inom detta område.
/

Svar:
Det är roligt att höra att ni lyckats göra en supraledare. Det vore trevligt om ni skrev till oss och berättade era erfarenheter och vilket recept ni använde. När supraledaren kyls ner så sker en sorts fasomvandling inne i supraledaren. Det nya, supraledande tillståndet har en lägre energi än det normala tillståndet. Energin till att lyfta magneten kommer från denna fasomvandling. När ni trycker ner magneten så att den kommer närmare supraledaren ökar magnetfältet vid supraledaren. Detta gör att det supraledande tillståndet föstörs i vissa delar och magnetfältet kan då tränga in i där. I själva verket penetrerar magnetfältet supraledaren i tunna trådar sk vortexlinjer. Lyftförmågan minskar därvid. Tillämpningar inom medicin känner jag inte till förutom att man använder supraledande magneter för att skapa de magnetfält som användes inom NMR.
/Gunnar O

Nyckelord: supraledning [7]; magnetism [48];

*

Elektricitet-Magnetism [497]

Fråga:
1. Vad kännetecknar en "högtemperatur-supraledare" 2. Vilken är den högsta uppnådda temeperatur för supraledning? 3. Hur går man tillväga för att hitta en effektiv supraledare? 4. Finns det möjligheter till supraledning vid rumstemperatur? 5. Var i Sverige bedrivs den främsta forskningen angående supraledare?
/

Svar:
1. Med "hög temperatur" menas i detta sammanhanget en temperatur på över 77 K. Detta är nämligen temperaturen på flytande kväve som är ganska billigt att framställa. Varje supraledande material har en karakteristik kritisk temperatur, dvs den temperatur vid vilken de övergår till att vara supraledande. Om denna temperatur är över 77 K kan man använda flytande kväve till nerkylningen. Det var först när dessa "högtemperatur- supraledare" blev kända som det blev ekonomiskt möjligt att planera storskaliga projekt som t ex höghastighetståg.

2. Den högsta kritiska temperaturen jag har hittat är 164 K (1994). Denna uppnåddes under 350 kbars tryck för materialet HgBa2Ca2Cu3O8.

3. Fysiken bakom supraledare är väldigt komplicerad och det finns fortfarande mycket som är oklart om de mekanismer som styr. Detta gör att det är ganska svårt att veta vad som ska ändras i deras kemiska formel för att få fram en bättre supraledare. För att hitta nya material används nog mest "trial and error"-metoden, dvs man testar och varierar de ämnen som verkar troliga tills man förhoppningsvis hittar nåt bra!

4. Utvecklingen gick framåt i rasande fart ett tag och man trodde att rumstemeratur var ett enkelt mål men det blir kanske inte så lätt som det verkade. Förutom att nå en viss övergångstemperatur finns det en massa problem med de nya materialen som man kanske inte tänkte på från början. Till exempel är de supraledande material som utvecklas idag keramiska ämnen, dvs de bränns i en ugn som lera, och precis som lera är de spröda. Du kan ju tänka dig hur svårt det är att göra en hållbar ledning av lera!

5. I Sverige bedrivs forskning om supraledare främst i Göteborg, på Chalmers, och på KTH i Stockholm.

Nyckelord: supraledning [7];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/hitc.html#c1
2 http://en.wikipedia.org/wiki/High-temperature_superconductor

*

Elektricitet-Magnetism [146]

Fråga:
Vad är det som gör att supraledare besitter en så stor förmåga att leda ström?

På vilket sätt påverkar magnetiska fält en supraledares egenskaper?
/

Svar:
I en supraledare finns det en speciell mekanism som gör att två elektroner kan attrahera varandra. Detta sker genom att en elektron deformerar kristallgittret som består av positiva joner. Genom denna deformation får man ett överskott av postiva laddningar som kan attrahera en annan elektron. Attraktionen mellan elektronerna gör att dessa "parar ihop sig". Dessa elektronpar kan sedan röra sig friktonsfritt genom supraledaren. De båda elektronerna uppträder nu som en partikel. För att bromsa denna partikel så måste den kollidera med något. Vid dessa kollisioner bevaras både rörelsemängd och energi. Det visar sig att man kan inte uppfylla båda dessa krav samtidigt för detta elektronpar, alltså går det friktionsfritt genom gittret. Det är alltså bara paret som kan "röra sig" friktionsfritt.

Ett magnetfält påverkar elektronerna och strävar att bryta upp paren. Därför försvinner supraledningen om magnetfältet blir alltför starkt.

Läs: I KOSMOS 1988 sid 43 finns en artikel av Claesson och Lundqvist om supraledare.

Nyckelord: supraledning [7];

*

Ämnesområde
Sök efter
Grundskolan eller gymnasiet?
Nyckelord: (Enda villkor)
Definition: (Enda villkor)
 
 

Om du inte hittar svaret i databasen eller i

Sök i svenska Wikipedia:

- fråga gärna här.

 

 

Frågelådan innehåller 7203 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2017-11-19 11:33:22.


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.