Cum funcționează supraconductorii? Un fizician explică ce înseamnă electricitate fără rezistență electrică
Lumea modernă se bazează pe electricitate, iar firele sunt cele care transportă acea electricitate către fiecare bec, televizor, sistem de încălzire, telefon mobil sau computer de pe planetă.
Din păcate, în medie, aproximativ 5% din energia generată la o centrală pe cărbune sau la o centrală solară se pierde pe măsură ce electricitatea este transmisă de la centrală către destinația sa finală. Aceasta înseamnă o pierdere anuală de 6 miliarde USD numai în SUA.
De zeci de ani oamenii de știință au dezvoltat materiale numite supraconductori care transmit electricitatea cu o eficiență de aproape 100%.
Sunt un fizician care cercetează modul cum funcționează supraconductorii la nivel atomic, efectul temperaturilor foarte scăzute asupra trecerii curentului electric și cum pot fi realizate aplicații precum levitația.
Recent, cercetătorii au făcut progrese semnificative în dezvoltarea supraconductorilor care pot funcționa la temperaturi și presiuni relativ normale.
Pentru a intelege de ce aceste progrese recente sunt atât de interesante și ce impact pot avea în știință și tehnologie, este important să înțelegem mai întâi cum funcționează materialele supraconductoare.
Majoritatea materialelor prezintă o rezistență atunci când electricitatea trece prin ele și se încălzesc. Această rezistență este modul prin care filamentele unui bec incandescent produc lumină. Credit: Ulfbastel/Wikimedia Commons , CC BY-SA
Un material fără rezistență electrică
Un supraconductor este orice material care conduce electricitatea fără a manifesta vreo rezistență la fluxul de curent electric. Această proprietate a supraconductorilor contrastează radical cu conductorii standard de electricitate, cum ar fi cei din cupru sau aluminiu, care se încălzesc atunci când curentul electric trece prin ei.
Ne putem gândi la trecerea curentului electric prin supraconductori ca la o alunecare rapidă a mâinii pe o suprafață netedă și alunecoasă, în comparație cu alunecarea mâinii peste un covor dur (cazul materialelor obișnuite). Covorul generează mai multă frecare și, prin urmare, mai multă căldură.
Prăjitorul electric de pâine și becurile cu incandescență de stil mai vechi folosesc rezistența electrică pentru a produce căldură și lumină.
Semiconductorii au o rezistență electrică sub cea a conductorilor, dar totuși mai mare decât cea a supraconductorilor.
O altă caracteristică a supraconductorilor este aceea că resping câmpurile magnetice. În acest fel magneții pot levita deasupra unui supraconductor.
Materialele supraconductoare resping câmpurile magnetice, făcând posibilă levitarea unui magnet deasupra unui supraconductor.
Cum funcționează supraconductorii?
Toți supraconductorii sunt fabricați din materiale neutre din punct de vedere electric, adică atomii lor conțin electroni încărcați electric negativ care înconjoară un nucleu cu un număr egal de protoni încărcați electric pozitiv.
Dacă atașați un capăt al unui fir la ceva care este încărcat electric pozitiv, iar celălalt capăt la ceva care este încărcat electric negativ, atunci sistemul va tinde să ajungă la echilibru prin mișcarea electronilor. Acest lucru face ca electronii din fir să încerce să se miște prin material.
La temperaturi normale, electronii se mișcă pe căi oarecum neregulate. În general, ei reușesc să se miște liber printr-un fir, dar din când în când se ciocnesc cu nucleele materialului. Aceste ciocniri sunt cele care obstrucționează fluxul de electroni, provoacă rezistență electrică și încălzirea materialului.
Nucleele tuturor atomilor vibrează în mod constant. Într-un material supraconductor, în loc să se deplaseze aleatoriu, electronii în mișcare trec de la un atom la altul în așa fel încât să rămână sincronizați cu nucleele care vibrează. Această mișcare coordonată nu produce ciocniri și, prin urmare, nici rezistență electrică sau căldură.
Cu cât un material devine mai rece, cu atât mișcarea electronilor și a nucleelor devine mai organizată. Acesta este motivul pentru care supraconductorii existenți funcționează doar la temperaturi extrem de scăzute.
Materialele supraconductoare ar permite inginerilor să amplaseze mult mai multe circuite pe un singur cip de calculator. Credit: David Carron/Wikimedia Commons , CC BY-SA
Beneficii pentru dispozitivele electronice
Dacă oamenii de știință vor realiza un material supraconductor la temperatura camerei, atunci firele și circuitele electronice ar fi mult mai eficiente și ar produce mult mai puțină căldură. Beneficiile acestui lucru s-ar manifesta pe scară largă.
Dacă firele folosite pentru transmiterea energiei electrice ar fi înlocuite cu materiale supraconductoare, atunci aceste noi linii ar putea transporta de până la cinci ori mai multă energie electrică decât cablurile actuale.
Viteza computerelor este limitată în mare parte de câte fire pot fi împachetate într-un singur circuit electric pe un cip. Densitatea firelor este adesea limitată de căldura reziduală .
Dacă inginerii ar putea folosi fire supraconductoare, atunci ar putea folosi mult mai multe fire într-un circuit electric, ceea ce ar conduce la dispozitive electronice mai rapide și mai ieftine.
În cele din urmă, având supraconductori la temperatura camerei, levitația magnetică ar putea fi utilizată pentru tot felul de aplicații, de la trenuri la dispozitive de stocare a energiei.
Traducere după How do superconductors work? A physicist explains what it means to have resistance-free electricity