Supraledare

Efterssom jag inte har sett någon tråd om supraledare så gör jag en nu.
Finns det någon supraledare som är supraledare vid högre temperatur än yttriumBariumKopparOxid(YBa2Cu3O7)? Hur tillverkas supraledare? Och varför kan en magnet sväva ovanför en supraledare?

Supraledande "tillverkas" inte. Det är ett temporärt tillstånd för en metall. Metallen kyls ner kraftigt (ca 90 K, beror på vilken metall) och blir sedan supraledande, med andra ord det är Inget motstånd i metallen. Det där med att föremålet som kylts ner svävar över en magnet är på grund av den supraledande effekten. Om vi tar en vanligt kopparspole och för en magnet fram och tillbaka över den, så bildas det elektriska spänningar som även gör magnetfält i luften. Det är samma princip med det supraledande föremålet och magneten. När det kalla föremålet försöker röra sig i en riktining motverkas det med elektromagnetism bildad i föremålet. De strömmarna som bildas i de kalla föremålet är oändligt stora eftersom att det inte finns något motstånd. Föremålet kan alltså ses som koppaspolen som jag nämnde förut och magneten är magneten. Svårt att förklara. Evolute kan nog komma med bättre och mer förståerlig förklaring.

Ja, en kvicksilverbaserad förening ((Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33) innehar just nu rekordet på ca 140 K. Det är dock samma typ som YBCO - ett keramiskt perovskitmaterial med starkt lagrad struktur.

Andra intressanta temperaturrekord

MgB2, 40 K: Högsta temp för ett formbart metalliskt material
Nb3Sn, 19 K: Används väldigt mycket i supraledande magneter
C, 15 K: Kolrör
RuSr2(Gd,Eu,Sm)Cu2O8, 58 K: Högsta temp för supraledare som är ferromagnetisk ovanför Tc. Mycket ovanligt då magnetism/supraledning oftast motverkar varandra


För det första finns det ju många naturliga material som är supraledare.

De konstgjorda materialen kan tillverkas på en mängd olika sätt: solid state reaction, flux flow, diverse tunnfilmstekniker, liquid phase epitaxy, etc. En del är ju enkla metaller så där är det inget som måste göras.

Exempelvis kan du göra en-kristaller av YBCO (alltså 'perfekta' kristaller) med flux-flow tekniken. Den går till ungefär så här:

* blanda ingående kemikalier (pulver): yttriumoxid, kopparoxid, bariumoxid.
* packa i ett litet rörkärl av yttria-stabiliserad zirkonia (svenska?)
* stoppa in i en ugn och värm upp till strax över smälttemperaturen
* skapa nu en värmegradient över rörkärlet
* denna gradient kommer att få små kristaller (kanske 0.1 gånger 0.3 mm) att växa ut från ena sidan
* låt svalna
* peta bort kristallerna med pincett
* låt kristallerna bakas i en ugn på ca 400 C under tillförsel av syre. Detta är kritiskt för att få rätt syreinnehåll (vilket påverkar kritiska temperaturen)
*klar

(givetvis är det krångligare än det ser ut...)

Pulsad laser deposition (PLD) av YBCO utgår helt enkelt från ett sintrat prov tillverkat med ex. solid state reaction eller krossade kristaller från flux flow. Man pulveriserar alltså provet och trycker ihop det till en platta. Sedan låter man en kraftig pulserande laser skjuta på denna platta. Den höga intensiteten kommer att få ytlagret att förångas och en plym av plasma reser sig. Genom att hålla ett varmt substrat strax över plattan, i kontakt med plasmat, kommer plasmapartiklarna att fastna på substratet och YBCO bildas där. PLD är en mycket 'enkel' teknik och fungerar för de flesta material. Den största fördelen är den stökiometriska överförseln av material - har man YBCO på plattan kan man förvänta sig YBC0 på substratet.

Annars är det mycket lätt att göra högtemperatursupraledare som YBCO. Det finns instruktioner på nätet att göra det 'hemma'. Det är dock svårt att göra bra kristaller med få defekter.


En supraledare är en perfekt diamagnet, det betyder att när man lägger den i ett magnetfält över den så skapar den ett eget magnetfält som precis motverkar det pålagda. Magnetfältet i det inre av en supraledare är alltså alltid noll.

Det betyder att när vi lägger en ferromagnet ovanför en supraledare så kommer dess magnetlinjer att försöka tränga in i supraledaren. Det tillåts inte och du får en kraft mellan supraledaren och magneten. Ju närmare magneten kommer supraledaren desto fler magnetlinjer försöker tränga in och kraften blir ännu större.

Matematiskt: Den differentiella magnetiska energin för ett objekt med en magnetisering M i ett fält B är

dU = -V*B*dM

Om magnetiska susceptibiliteten är X, så att M = X*B kan detta integreras till

U = -V*X/(2*mu_0)*B^2

Kraften på ett objekt ges således av

F = -dU/dx = V*X/mu_0*B*(dB/dx).

För diamagnetiska material är X negativ och för en supraledare X=-1, så att

F = -V*B/mu_0*(dB/dx)

Vi ser alltså att om dB/dx avtar i x-riktningen, dB/dx<0, så kommer kraften att vara riktad i x-riktningen.

Det är värt att notera att man inte kan få samma effekt med två ferromagneter. En ferromagnet kan aldrig sväva ovanför en kombination av ferromagneter. Jag skrev om detta och magnetisk svävning i en annan tråd (med bilder och filmer):

http://www.flashback.org/showthread...da#post3314789

Men varför är supraledare perfekta diamagneter?

Den konventionella teorin för supraledare säger att systemet kan sänka sin energi genom att elektronerna bildar par. De bildar par genom en indirekt attraktion medierad av de positivt laddade jonerna: en negativ elektron flyger förbi positivt laddade joner, dessa dras till elektronen och stannar kvar efter att elektronen har flugit förbi eftersom de rör sig långsammare (de har större massa), detta gör att man får en ansamling av positiv laddning och till denna laddning kan en annan elektron attraheras. En elektron har nu indirekt attraherats till en annan elektron. Dessa elektroner bildar nu ett bundet elektronpar. Paret är bundet under extremt kort tid, över extremt stora avstånd så att de överlappar tusentals andra par, men ändå så får man en liten bindingsenergi av detta par.

Detta gör alltså att systemt kan sänka sin energi i det supraledande tillståndet. Låter man ett magnetfält penetrera materialet så försöker elektronerna röra sig med magnetfältet - detta förstör parbildningen och kostar således energi. Istället låter supraledaren cirkulerande strömmar nära ytan skapa ett magnetfält som motverkar det pålagda och 'tränger ut det'. Att tränga ut magnetfältet kostar också energi, men inte lika mycket som att bryta elektronparen.

Blir fältet alltför stort så är det inte längre fördelaktigt att tränga ut fältet, och elektronparen bryts och det supraledande tillståndet försvinner. Detta kallas det kritiska fältet och är en mycket viktig parameter för att kunna utnyttja supraledare i praktiken.

För vissa supraledare kan man visa att ytenergin mellan normal-supraledare är negativ. Supraledaren 'vill' då skapa massor av sådana gränser och kan släppa in magnetiskt flöde i små flödestuber, vortexar, där en spaghetti av magnetiskt flöde tränger igenom materialet. Centrum av dessa vortexar är normala och sedan är resten av materielat supraledande. För att avskräma magnetfältet i centrum av vortexarna går det cirkulerande strömmar runt dem som skapar ett fält som släcker ut det. Dessa vortexar repellerar varandra och bildar vid låga temperaturer ett hexagonalt mönster. Supraledare som uppvisar detta kallas typ II supraledare. Alla högtemperatursupraledare är typ II.

Jag har skrivit om vortxar i några andra inlägg (bilder och filmer)

http://www.flashback.org/showpost.p...40&postcount=9
http://www.flashback.org/showpost.p...29&postcount=5
http://www.flashback.org/showpost.p...39&postcount=8

Du är för otrolig evolute! Du kan ju hur mycket som helst och skriver hur bra som helst och hur långa inlägg som helst! Men hemmabygge? Går det att göra hemmasupraledare? Jag trodde bara att det var något för superanvancerade laboratorier. Det skulle iallafall vara kul att ha en...synd bara att det krävs så låga temperaturer.
Men jag har hört att det finns några forskare som har uppfunnit supraledning på typ -30grader och tystade ner det hela för det skulle bli för revolutionerande. Men tack iallfall för en mycket bra beskrivning!

Jag kan inte tänka mig att någon lyckas göra en supraledare med en kritisk temperatur på -30 C och sedan hålla tyst om det. Ett nobelpris och världens bästa affärsidé väntar...

Här har du detaljerade instruktioner för att göra YBCO. Du behöver dock en ugn som går till nära 1000 C med temperaturregulator men ni pyronissar kanske har sånt?

http://www.webcom.com/cfsc/scpart1.html

Dock kan du ju säga att du har en supraledare bara du har en bit bly (Tc = 9 K). Då behöver du dock flytande helium vilket är betydligt krångligare att hantera än flytande kväve.

Ja, om man inte kan kyla ned supraledaren så är det kanske inte så roligt. Jag har flera stycken men utan flytande kväve ser de bara ut som små svarta porslinsbitar.

Jo jag tänkte väl att det skulle vara omöjligt, att hålla tyst om en sådan sak skulle inte ens jag kunna.
Haha, "pyronisse" jaja det var ju ett nytt uttryck, men nej tyvärr jag saknar ugn. Men hur har du fått tag i dina YttriumBariumKopparOxidbitar då? Är de köpta? Du kan väl dela med dig...flytande kväv har jag nämligen inte svårt för att få tag i (tror jag iallafall)...
EDIT: Jag tycker sidan var lite svår att förstå men vad menas med "rare-earth magnet"? Och för upphettning är det väl bara att använda en sån där ugn tänkt för keramik eller dylikt, de har väl både termometer och stor hetta?

En supraledare svävar högre ju kraftigare magneten är. De starkaste magneterna vi känner till innehåller sällsynta jordartsmetaller (rare earth metals), ex. samarium-kobolt och neodymium-järn-bor. Se dessa sidor:

http://www.coolstuff.se/p146/Supermagneter.html
http://www.magnetfabriken.se/Samarium.htm

Jag vet inte riktigt hur värmefördelningen ser ut i en stor keramikugn och hur mycket man kan lita på termometervärdet. Men det ska ju annars fungera.

Jag och några till har som projektarbete att framställa en supraledare. Vi har redan recept och material på YBCO. Min fråga är om det finns någon annan legring/material som kan bli supraledande med hjälp av flytande kväve.
Vad jag vet så är flytande kväve det bästa vi har till nerkylning och eftersom vi är i skolmiljö så får vi inte använda vissa ämnem t.e.x kvicksilver

edit: Jag kommer ta kort/filma när vi framställer och testar supraledaren sen, ska nog kunna lägga upp dem om någon är intresserad
mvh Tro

Kan supraledande energilager få en vettig energidensitet så att de kan konkurrera med batterier? Om de kan det: Är de praktiskt användbara eller kommer exempelvis en bil att knyckla ihop sig av magnetfältet?

Det finns mängder av legeringar men alla är av samma keramiska typ som YBCO och ungefär lika svåra att framställa. De tre vanligaste högtemperatursupraledarna (ur praktisk synpunkt) är B-2212 (Bi2Sr2CaCu2Ox), Bi-2223 ([Bi,Pb]2Sr2Ca2Cu3Ox, samt Y-123 eller YBCO (YBa2Cu3Ox).

Har minnet att YCBO blev ett ganska stor flopp och fick ett antiklimax. Minns hysterin när upptäckten gjordes och det snabbaste nobelpriset någonsin. Lågstadiebarnen i var och varannan skola bakade ju ihop egna supraledare i keramikugnarna i slöjden. Då skulle stora nya uppfinningar revolutionera världen. Så vitt jag vet så blev det inte en enda praktiskt användbar grej kommersialiserad baserad på supraledning.

okej, är det någon ide att framställa någon av Vismut legeringarna om man ska framställa YBCO. Är det någon stor skillnad i hur effektiva dem är eller hur man ska uttrycka det. Är det någon som har länk till recept på Vismut legeringarna samt säkerhets blad på Vismut och strontium?

mvh Tro