Υπεραγωγοί και χαμηλές θερμοκρασίες …

Υπεραγωγοί και χαμηλές θερμοκρασίες …

Θερμοκρασία είναι το φυσικό μέγεθος που μετρά την ενέργεια κίνησης ή ταλάντωσης της ύλης σε ατομικό επίπεδο. Το απόλυτο μηδέν είναι η θερμοκρασία από την οποία ξεκινά η κλίμακα Κέλβιν και που προσδιορίζεται για μεν την κλίμακα Κελσίου στους –273,15°C, για δε την κλίμακα Φαρενάιτ στους –459,67°F. Θεωρητικά είναι η κατάσταση εκείνη στην οποία ένα υλικό δεν έχει καμία άλλη ενέργεια παρά αυτή από τις κβαντομηχανικές ταλαντώσεις των ατόμων που το αποτελούν (ενέργεια μηδενικού σημείου).

Η χαμηλότερη θερμοκρασία στη γη συναντάται στην Ανταρκτική, -80 έως -90 βαθμούς Κελσίου. Ακόμη και στις πολύ χαμηλές αυτές θερμοκρασίες, τα συστατικά της ατμόσφαιρας παραμένουν στην αέρια φάση, εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα και τούς υδρατμούς φυσικά, που είναι παγωμένα. Ομως ο άνθρωπος μπορεί να επιτύχει πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες, όπου τα συστατικά της ατμόσφαιρας σταδιακά υγροποιούνται και εν συνεχεία παγώνουν.

Ο ξηρός πάγος είναι παγωμένο διοξείδιο του άνθρακα και έχει θερμοκρασία -79 βαθμούς Κελσίου. Το άζωτο αποτελεί ως γνωστόν το 78% της ατμόσφαιρας. Υγροποιεῖται στούς -196 οC, (77 Κ) έχει δε ορισμένα πλεονεκτήματα ως ψυκτικό υγρό. Δεν εξατμίζεται εύκολα (έχει μεγάλη θερμότητα εξάτμισης), και είναι φθηνό (ένα λίτρο υγρού αζώτου στοιχίζει περίπου όσο ένα λίτρο φθηνού αναψυκτικού). Το υδρογόνο, το ελαφρότερο από όλα τα στοιχεία, υγροποιείται στούς -253ο (20.3 Κ) και παγώνει στούς 14 Κ4. Στη θερμοκρασία αυτή τα πάντα είναι παγωμένα. Υπάρχει μία και μόνο ουσία, το στοιχείο ήλιο, το οποίο συνεχίζει να είναι αέριο και στην χαμηλή αυτή θερμοκρασία. Το ήλιο υγροποιείται περίπου στούς -269 οC (4.2 Κ) και δεν στερεοποιείται σε ατμοσφαιρική πίεση ούτε και σε θερμοκρασίες που πλησιάζουν το απόλυτο μηδέν. Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που μπορεί να επιτύχει ο άνθρωπος (κοντά στο απόλυτο μηδέν) κατορθώνονται με την χρήση του υγρού ηλίου.

Η έρευνα στην περιοχή των κρυογενικών θερμοκρασιών έχει αποτελέσει ιδιαίτερα σημαντικό κλάδο της επιστήμης, όχι μόνον διότι τα υγροποιημένα αέρια εμφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες, αλλά και διότι γνωστά υλικά εμφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες σε χαμηλές θερμοκρασίες, ή μας αποκαλύπτουν ιδιότητες κρυμμένες στις συνηθισμένες θερμοκρασίες. Καθώς τα μόρια αποκτούν σχετική ακινησία σε χαμηλές θερμοκρασίες, εμφανίζουν ομαδικές ιδιότητες, π.χ. μαγνητισμό. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες ορισμένα υλικά αποκτούν το εντυπωσιακό φαινόμενο της υπεραγωγιμότητος

Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε το 1911 από τον Η. Kamerlingh Onnes σε παγωμένο υδράργυρο. Γιαυτή την ανακάλυψη ο Η. Κ. Οnnes πήρε το βραβείο Νobel Φυσικής το 1913. Στις επόμενες δεκαετίες ανακαλύφθηκαν κι άλλα υλικά που δείχνουν υπεραγωγιμότητα, οπότε και από την δεκαετία του 1960 έγινε η πρώτη εμπορική παραγωγή υπεραγώγιμου σύρματος και άρχισε η ανάπτυξη εφαρμογών.

Σε έναν υπεραγωγό οι συγκρούσεις μεταξύ ατόμων και ηλεκτρονίων ελαχιστοποιούνται με αποτέλεσμα το ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει ανεπηρέαστο και χωρίς καμία δυσκολία. Η θερμοκρασία κάτω από την οποία ένα υλικό γίνεται υπεραγωγός λέγεται κρίσιμη θερμοκρασία. Για τα περισσότερα μέταλλα η κρίσιμη θερμοκρασία είναι κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Εφαρμογές υπεραγώγιμων υλικών

• Ηλεκτρομαγνήτες

• Ηλεκτρικές μηχανές

• Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας

• Μαζικές μεταφορές

Εφαρμογή υπεραγώγιμων υλικών για την κατασκευή του "απωθούμενου τραίνου", όπου η δράση ισχυρών μαγνητικών πεδίων είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη μεγάλων απωστικών δυνάμεων.

• Ηλεκτρονικοί υπολογιστές.

Η χρήση των υπεραγώγιμων υλικών στην τεχνολογία των micro-switches θα φέρει μεγάλη βελτίωση στην ταχύτητα επεξεργασίας σήματος.

• Μετρητική τεχνολογία

Με την αξιοποίηση του φαινομένου Josephson είναι δυνατή η κατασκευή ευαίσθητων μετρητικών οργάνων (AC/DC SQUIDS).

• Ιατρική

Με τη χρήση μαγνητικών τομογράφων κα άλλων ευαίσθητων μαγνητικών οργάνων.

• Πυρηνική Φυσική

Χρησιμοποιούνται μεγάλης ισχύος ηλεκτρομαγνήτες στους επιταχυντές σωματιδίων (SSC: Superconductor Super Collider).