De werking van supergeleiders
Supergeleiders zijn materialen die elektrische stroom zonder weerstand geleiden. Dit betekent dat de stroom door een supergeleider blijft stromen zonder energieverlies, zelfs als er geen externe kracht wordt uitgeoefend. Er zijn twee soorten supergeleiders: Type I en Type II.
Type I supergeleiders
Type I supergeleiders zijn materialen die volledig supergeleidend worden bij een bepaalde kritische temperatuur. Deze temperatuur wordt de kritische temperatuur Tc genoemd en varieert van materiaal tot materiaal. Wanneer de temperatuur onder Tc daalt, wordt het materiaal supergeleidend en kan elektriciteit zonder weerstand door het materiaal stromen.
Het kaliumbismutide K3Bi is een voorbeeld van een Type I supergeleider. Wanneer K3Bi wordt afgekoeld tot een temperatuur van ongeveer 1.2 K, wordt het supergeleidend. Supergeleiders worden gebruikt in tal van toepassingen, waaronder kernmagnetische resonantie (NMR) en medische beeldvorming.
Type II supergeleiders
Type II supergeleiders zijn materialen die supergeleidend worden bij een bepaalde kritische temperatuur, vergelijkbaar met Type I supergeleiders. Het belangrijkste verschil is dat Type II supergeleiders een tweede kritische veld Hc2 hebben, dat het maximum magnetische veld definieert waarbij supergeleiding nog steeds optreedt.
Bovendien hebben Type II supergeleiders ook een kritische stroomdichtheid Jc, die de maximale stroomdichtheid aangeeft waarbij supergeleiding nog steeds optreedt. Een voorbeeld van een Type II supergeleider is Nb-Ti, dat wordt gebruikt in supergeleidende magneten voor medische beeldvorming en andere toepassingen.
Hoe werken supergeleiders?
Om de werking van supergeleiders te begrijpen, is het belangrijk om eerst het concept van elektronen in materialen te begrijpen. Elektronen bewegen door materialen en veroorzaken weerstand in het materiaal. Bij supergeleiders worden de elektronen echter gepaard in zogenaamde Cooper-paren. Wanneer de temperatuur onder de kritische temperatuur daalt, vormen de Cooper-paren een soort "superatoom", dat de elektrische stroom zonder weerstand door het materiaal kan geleiden.
Daarnaast spelen magnetische velden een belangrijke rol bij de werking van supergeleiders. Wanneer een magnetisch veld door een supergeleider wordt geleid, wordt de supergeleiding verstoord en wordt er weerstand geïntroduceerd. Hierdoor heeft Type II supergeleiders een tweede kritische veld Hc2, dat het maximum magnetische veld definieert waarbij supergeleiding nog steeds optreedt.
Toepassingen van supergeleiders
Zoals eerder vermeld, worden supergeleiders gebruikt in tal van toepassingen, waaronder medische beeldvorming en kernmagnetische resonantie (NMR). Supergeleidende magneten worden bijvoorbeeld gebruikt in MRI-machines om gedetailleerde beelden van het menselijk lichaam te maken.
Daarnaast worden supergeleidende kabels gebruikt voor energietransmissie over lange afstanden, omdat er bij supergeleiders geen energie verloren gaat tijdens het transport. Supergeleidende kabels zijn echter duurder dan conventionele kabels, waardoor ze voornamelijk worden gebruikt voor specifieke toepassingen waar energieverlies erg kostbaar is.
Supergeleidende apparaten worden ook gebruikt in de ontwikkeling van quantumcomputers. Quantumcomputers maken gebruik van de eigenschap van quantumverstrengeling, die kan worden gebruikt om complexe berekeningen sneller uit te voeren dan op klassieke computers mogelijk is.
Conclusie
In dit artikel hebben we de werking van supergeleiders besproken, die elektrische stroom zonder weerstand kunnen geleiden. Er zijn twee soorten supergeleiders: Type I en Type II. Type II supergeleiders hebben een tweede kritische veld en een kritische stroomdichtheid, die de maximale stroomdichtheid aangeeft waarbij supergeleiding nog steeds optreedt.
Supergeleiders hebben tal van toepassingen, waaronder medische beeldvorming en quantumcomputers. Ondanks hun voordelen zijn supergeleiders nog steeds relatief duur en worden ze voornamelijk gebruikt voor specifieke toepassingen waar energieverlies erg kostbaar is.