超导101

我们有祸了。

我们的水电费。政客们想在墨西哥湾钻探石油和其他生态敏感地区。全球变暖已经开始危害地球。随着我们更多地要求我们有限的资源,我们大多数人担心的长期后果。可以做些什么?

科学家们一直在探索许多选项,从实际应用的太阳能安全的核电站。也在MagLab劳动向解决方案,和其他地方,物理学家使用巨大的磁铁和许多其他工具。与他们他们希望利用这一现象进行了近一个世纪的理论甚至更长时间,但是还没有掌握,甚至完全理解:超导。认为它是电力。

不,等等,这是不正确的。虽然“类固醇”这个词确实传达超导的难以置信的力量,同时,不正确,建议大量的汗水和努力。和这一物理现象的美妙之处在于缺乏超导电流所需的努力。

这是另一个尝试定义超导。就像那些完美的日子,有时候,当一切都神奇地正确,当所有的障碍都远离我们的道路,我们穿越时间,完成每一个任务几乎毫不费力,就像自动驾驶仪。

的900 MHz ultrawide磁铁

是的,这是超导:伟大的效率实现伟大的缓解。事实上,当你有一个超导电流,它可以继续,,,很久之后你拔掉机器,长劲量兔称之为退出后,多年后,无聊愚蠢的,你停止等待看到它会持续多久。

听起来不可思议,不是吗?这是一个现实。事实上,MagLab超导,感谢它的一个最强大的工具:它900 MHz超宽磁铁。一个世界上最强大的超导磁体,用于重要的研究核磁共振(核磁共振)。它第一次被指控在2004年7月以来,一直不断地进行电力本身——不需要插头。

的问题在于:尽管超导,一旦得到,就像一个梦,建立环境和工具,使人们有可能是一个很大的苦差事。

超导的追求使得一个激动人心的故事,充满了悬念,有点借题发挥,可耻的行为的某些原子粒子,对合作的好处,关键信息,潜在的,一个非常幸福的结局。做一切美好的故事,我们都有一个英雄。我们会打电话给他,只是,超导体。

但是我们这里走在自己前面一点。在我们能理解披斗篷的十字军的惊人的力量,我们需要满足他的温和的封面:肯特火花。火花的一天的工作是在当地的发电厂,进行电力对我们社区的家庭和企业在几乎相同的沉闷乏味的方式自1800年代末。尽管努力工作,不够硬…不是地球面临的能源问题。原子是不安分的,电子是徒劳的:必须有人来救援。

如果你需要一个快速的复习课程在原子的行为——知识基本了解超导继续下一节。否则,随意使用顶部的下拉菜单页面的跳转。

电子做错我:原子简而言之

了解电力意味着首先回忆原子是如何工作的。尽管你永远不能告诉他们通过观察用肉眼(至少),这些原子一样活跃的主角“绝望的主妇”。

这基本构件的核心问题是,当然,一个核(部分),由一个或多个带正电荷质子。在这些轨道电子——负面答案质子的积极的性格。取决于有多少电子原子,它可能有一个或多个轨道的电子。氢只有一个电子在一个轨道,而铀92电子7轨道。

铝原子

重要的对于我们的目的,不过,不是原子的大小,而是有多少电子在其外层(或价)轨道,有多少可能。自然是很具体的最大数量的电子将容纳在一个给定的轨道。两个第一轨道顶部,8是位居第二。第三轨道也会充满八点(尽管它可以挤出两次,许多政党)。例如,让我们考虑一个铝原子。它有13个电子:两个(最大的)第一个轨道,八个(最大的),第二轨道,和其余三个——第三个和最后一个轨道,这并不是完整的(可以满足至少5个以上)。

一般来说,一个原子的质子数等于电子的数量,以及他们的费用相互抵消。但这种稳定并非总是如此——什么样的故事我们如果是吗?如果你把一个原子作为一个家庭(原子的家庭,如果你愿意)组成的粒子,质子几乎呆在家里。电子,然而,有时像可以't-help-myself坏男孩伤感乡村歌曲:总是与其他对立勾搭,或者只是上路自由游荡。事实上,他们通常被称为自由电子。

比- - - - - -这是一个故事嗯哼——原子和夏娃:在合适的情况下,电子公司,国内部分原子,留下不好的回忆和净正电荷。这种电荷被称为原子离子。我们刚刚描述了阳离子(一个带正电荷的离子),但也有阴离子电子(带负电荷的离子,比质子)。

一些固有的稳定材料(木是一个例子)组成的原子的电子结婚你可能称之为类型,他们倾向于保持把贝壳。这些材料是绝缘体。由于特定安排的电子绕原子核——最外层轨道是幸福完整的——他们不倾向于适应孤独的电子巡航。然而,其他材料更放荡的。有潜力,电子从一个原子容易转移到另一个,或电子高速公路。这些都是导体。是这样的我们的铝原子(金属)。一个或更多的三个自由电子可能会决定走;同样,价电子层有空间容纳游客。

让我们回到电力。

燃料的打击:电简而言之

让我们仔细看看我们的铝原子。

跳来跳去的一些活动我们刚刚描述发生在铝线坐在桌子的长度。你不需要把它插在——固有的能量足以激发电子的平均房间。铝的价电子来回迁移从一个原子。

现在,您可以踢更上一层楼,将电池引入。如果你连接的一端连接到积极的结束,和其他的-,这些自由电子在铝将开始移动,都在同一个方向。电池负极上有过多的电子和缺乏积极的,所以消极的一面带负电荷的粒子推到铝和积极的一面拉出来。铝芯电缆提供电子的公路旅行。这将创建一个流电子电路。瞧:电力燃料你的收音机和手电筒。

自由电子在铝原子移动

事实上,“流媒体”并不是最好的词来描述电子在做什么。科学家们使用的动词漂移,并有充分的理由。在当前照明家用灯泡,电子正在甜蜜的时间,漫步在只有几英寸一个小时!(事实上,他们可以启动你的搅拌机与其说是由于他们的速度大量的电子移动)。

为什么这样的真慢呢?问题是,这是一个名副其实的撞车大赛,与电子碰撞原子(或其他自由电子)在他们试图回答电池的警笛的正电荷。这是所谓的电阻。原子都更难以避免,因为他们不会静坐:电子在轨道忙于绕原子核,以及原子核本身振动。因此,电子被击倒。它们发出的能量在这个过程中没有电,但热火花肯特——一个大问题。这就是为什么你的房子的电线会稍微温暖的触摸如果他们不是包在绝缘塑料。电力的副产品是如此热,有时是可取的(在电热毯或炉灶),有时不是(在电脑和其他电子产品)。这一概念说明,看看这个交互式教程阻力。

碰撞导致的另一个重要这些电流效率低下。电子从风景优美的路线。想象一个人从塔拉哈西谁想去看他的新女朋友在洛杉矶。他的车是在商店里,他减少搭便车(他是一个绝望的人),而不是射击向下i - 10大道,他必须接受无论骑他。他最终曲折到伯明翰,然后比洛克西,然后回到小石城,然后向后孟菲斯,那么——好吧,你可以想象的。

这个电子行为的底线是7%的损失潜在的电流。正如你想象的,每年可以挽救数十亿美元仅在美国如果没有损失。岂不是超级,如果有人能找到路吗?

它是一只鸟,一架飞机,这是…:超导简而言之

有人!进入我们的英雄,超导、保存的一天!他的权力:耕作,好像他们根本不存在过去的障碍。

实现超导的关键是保持烦躁的原子的电子的流动方式。这些原子热,越烦躁:这就是为什么你冰块的原子节奏缓慢的在你的茶相比,进而跋涉像海龟相比,原子压缩在水壶的蒸汽出来。

温度范围

所以让原子真正冷静下来,你需要把A / C。

的方式。

物理学的基本定律告诉我们,你永远无法吸能量块的物质。但是你可以非常接近事实,事实证明,相当接近是足够近。

近距离有多冷?

首先,让我们定义温度桶的底部。据我们所知,是没有限制的宇宙有多热。但是,由于先生命名的威廉汤姆逊(你开尔文勋爵),我们知道有一个明确的限制多冷。科学家们称它为0开尔文(0 K),或者绝对零度。你可能称之为-273摄氏度,-460华氏度,或只是哪该死的冷淡。相比之下,地球上有史以来最冷的温度是-129华氏度。

你可能会了解到你不需要一直到绝对零度为了实现超导。这个事实是很意外,不过,科学家第一次,很意外,状态的实现,在此之前只有理论。这发生在1911年。

荷兰物理学家Heike Kamerlingh恩纳港是一个先锋液化hard-to-liquefy气体。当时他是第一,只有,创建和一起工作的人液态氦,这需要一个牙齿打颤4 K。他想看看金属(这个实验中,他使用汞)的行为暴露在这样的极端。

您已经猜到了,恩纳港发现金属失去了抵抗,自由和电子流过。因此,他被称为超导的父亲。

速度可以通过物质吗?不是一只鸟,不是传统的电流,但我们的英雄,超导!

作为一个英雄,超导显示了巨大的潜力。很多著名的不起眼的科学家们长达一个世纪揭开它的秘密。他们取得了相当大的进展,创建实验电流运行多年,开发有价值的应用程序等磁共振成像(MRI)和“悬浮”磁悬浮列车。超导的年龄仍然是年轻的,但是它在这里。

但像其他超级英雄,超导他的对手。我们叫他冰人。

的确,极端寒冷对于超导是必要的。但是冰人仍然是我们的坏家伙,因为他使这个过程非常困难(液态氦是昂贵和繁琐的工作)和非常不切实际。科学家们一直在争夺这个敌人自1911年以来,我们会看到。

不过,恩纳港的消息是革命性的,为人类保存各种各样的承诺。不过,这将是几十年之前科学家发现可以开始开发应用程序。见鬼,多年来,他们甚至不知道超导是如何运作的。

库珀2×2:对

在1957年发生了变化,当三个人员,追求一种预感,电子处于超导状态实际上是彼此吸引,想到了一个相当有说服力的假设。他们有一个理论命名它们(Bardeen-Cooper-Schrieffer,因为约翰巴丁,利昂·库珀和罗伯特Schrieffer),还有一点额外的好处,诺贝尔奖。

BCS背后的想法,当然,苍蝇在面对你所学到的所有关于粒子物理。异性相吸,就像粒子相互排斥。这就是原子旋转的圆。

然而每一条规则有一个例外,或两个或三个(欢迎来到物理!)。粉笔这一届