Πώς λειτουργεί ένας υπεραγωγός;

Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ένας υπεραγωγός, μπορεί να είναι χρήσιμο να εξετάσουμε πώς λειτουργεί πρώτα ένας κανονικός αγωγός.Ορισμένα υλικά όπως το νερό και το μέταλλο επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να ρέουν αρκετά εύκολα, όπως το νερό μέσω ενός σωλήνα κήπου.Άλλα υλικά, όπως το ξύλο και το πλαστικό, δεν επιτρέπουν την ρεύση των ηλεκτρόνων, έτσι ώστε να θεωρούνται μη παραγωγικά.Προσπαθώντας να τρέξετε την ηλεκτρική ενέργεια μέσω αυτών θα ήταν σαν να προσπαθείτε να τρέξετε νερό μέσα από ένα τούβλο.

Ακόμα και μεταξύ των υλικών που θεωρούνται αγώγιμα, μπορεί να υπάρξουν τεράστιες διαφορές στο πόσο ηλεκτρική ενέργεια μπορεί πραγματικά να περάσει.Από ηλεκτρικούς όρους, αυτό ονομάζεται αντίσταση.Σχεδόν όλοι οι κανονικοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας έχουν κάποια αντίσταση επειδή έχουν δικά τους άτομα, τα οποία μπλοκάρουν ή απορροφούν τα ηλεκτρόνια καθώς περνούν από το σύρμα, το νερό ή άλλο υλικό.Μια μικρή αντίσταση μπορεί να είναι χρήσιμη για να διατηρηθεί η ηλεκτρική ροή υπό έλεγχο, αλλά μπορεί επίσης να είναι αναποτελεσματική και σπατάλη.

Ένας υπεραγωγός παίρνει την ιδέα της αντίστασης και το μετατρέπει στο κεφάλι του.Ένας υπεραγωγός αποτελείται γενικά από συνθετικά υλικά ή μέταλλα όπως μολύβδου ή niobiumtitanium, το οποίο έχει ήδη χαμηλή ατομική καταμέτρηση.Όταν αυτά τα υλικά είναι παγωμένα έως σχεδόν απόλυτο μηδέν, ποια άτομα έχουν αλέθουν σε ένα σχεδόν μισό.Χωρίς όλη αυτή την ατομική δραστηριότητα, η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να ρέει μέσω του υλικού χωρίς πρακτικά χωρίς αντίσταση.Στην πράξη, ένας επεξεργαστής υπολογιστών ή ηλεκτρικό τρένο που είναι εξοπλισμένο με υπεραγωγό θα χρησιμοποιούσε πολύ λίγη ηλεκτρική ενέργεια για να εκτελέσει τις λειτουργίες του.

Το πιο προφανές πρόβλημα με έναν υπεραγωγό είναι η θερμοκρασία.Υπάρχουν λίγοι πρακτικοί τρόποι για να υπερκαλύψουν μεγάλες προμήθειες υπεραγωγικού υλικού στο απαιτούμενο σημείο μετάβασης.Μόλις αρχίσει να ζεσταθεί ένας υπεραγωγός, η αρχική ατομική ενέργεια αποκαθίσταται και το υλικό δημιουργεί και πάλι αντίσταση.Το τέχνασμα για τη δημιουργία ενός πρακτικού υπεραγωγού έγκειται στην εξεύρεση ενός υλικού που γίνεται υπεροχή σε θερμοκρασία δωματίου.Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές δεν έχουν ανακαλύψει κανένα μέταλλο ή σύνθετο υλικό το οποίο χάνει όλη την ηλεκτρική αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες.

Για να απεικονίσει αυτό το πρόβλημα, να φανταστεί ένα τυπικό σύρμα χαλκού ως ποτάμι νερού.Μια ομάδα ηλεκτρονίων βρίσκεται σε μια βάρκα που προσπαθεί να φτάσει στον προορισμό τους ανάντη.Η δύναμη του νερού που ρέει κατάντη δημιουργεί αντίσταση, γεγονός που κάνει το σκάφος να λειτουργεί ακόμα πιο σκληρά για να περάσει από ολόκληρο τον ποταμό.Μέχρι τη στιγμή που το σκάφος φτάσει στον προορισμό του, πολλοί από τους επιβάτες ηλεκτρονίων είναι πολύ αδύναμοι για να συνεχίσουν.Αυτό συμβαίνει με έναν κανονικό αγωγό - η φυσική αντίσταση προκαλεί απώλεια εξουσίας.

Τώρα φανταστείτε αν ο ποταμός ήταν εντελώς παγωμένος και τα ηλεκτρόνια ήταν σε έλκηθρο.Δεδομένου ότι δεν θα υπήρχε νερό που ρέει κατάντη, δεν θα υπήρχε αντίσταση.Το έλκηθρο απλά θα περάσει πάνω από τον πάγο και θα καταθέσει σχεδόν όλους τους επιβάτες ηλεκτρονίων με ασφάλεια ανάντη.Τα ηλεκτρόνια δεν άλλαξαν, αλλά ο ποταμός μεταβλήθηκε από τη θερμοκρασία για να μην τοποθετήσει αντίσταση.Η εύρεση ενός τρόπου παγώματος του ποταμού σε κανονική θερμοκρασία είναι ο απώτερος στόχος της έρευνας υπεραγωγών.