Direnç sıfır
kayıp yok
Sıcaklığı belirli bir değerin altına düşürüldüğü zaman doğru akıma karşı elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelere süper iletken denir. Bir tel düşün: içinden geçen akım hiç zayıflamadan sonsuza kadar dolaşabiliyor. Üstelik aynı malzeme manyetik alanı içine hiç almıyor — işte trenin havada durmasının sebebi bu.
Sıcaklığı belirli bir değerin altına düşürüldüğü zaman doğru akıma karşı elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelere süper iletken denir. Süper iletkenlik, belirli bir sıcaklık altında doğru akıma karşı elektriksel direncin sıfır olması veya sıfıra yaklaşması ve manyetik alanın dışlandığı malzemelerde görülür.
Süper iletkenler, düşük sıcaklıklarda belirli bir kritik sıcaklık altında çalışır. Elektrik akımı, süper iletken malzeme boyunca sonsuza kadar akabilir ve hiçbir enerji kaybı yaşanmaz.
Normal bir telde akım geçerken tel ısınır — bu, enerjinin bir kısmının kaybolması demektir. Süper iletkende direnç sıfır olduğu için ısınma da yoktur. Elektrik iletim hatlarında süper iletkenlerin hedeflenmesinin sebebi tam olarak budur.
Süper iletkenlik yalnız “direnç sıfır” demek değildir. Tanımda iki şey birlikte geçer: doğru akıma karşı elektriksel direncin sıfır olması veya sıfıra yaklaşması ve manyetik alanın dışlanması.
Sınavda “yalnız direnci sıfırdır” diyen seçenek eksik kalır; manyetik alanın dışlanması — Meissner etkisi — süper iletkenliğin ayrılmaz parçasıdır.
Aşağıdaki beş özelliğin hepsi tek bir koşula bağlı: malzemenin sıcaklığı kritik sıcaklığın altında olmalı. Bu koşul kalkarsa beşi de kaybolur.
Belirli bir kritik sıcaklık altında, süper iletken malzemelerde elektrik direnci kaybolur veya çok küçük bir değere iner. Bu sayede elektrik akımı süper iletken malzeme boyunca hiçbir dirençle karşılaşmadan akabilir.
Süper iletkenlik genellikle belirli bir sıcaklık altında gerçekleşir. Malzemenin kritik sıcaklığı, malzemenin türüne ve bileşimine bağlı olarak değişir. Bazı süper iletkenler sıvı helyum sıcaklıklarında süper iletken hâle gelirken, diğerleri daha yüksek sıcaklıklarda süper iletkenlik gösterebilir.
Süper iletkenler, manyetik alanları güçlü bir şekilde dışlayabilir. Bu özellik, manyetik levitasyon gibi uygulamalarda kullanılır. Manyetik levitasyon, nesnelerin havada asılı kalmasını sağlayan bir teknolojidir ve süper iletkenler bu teknolojinin temelini oluşturur.
Süper iletken bir halka veya tel, bir akımın sonsuza kadar döngüsel olarak akmasını sağlayabilir. Bu, süper iletken halkaların mükemmel elektriksel kuantum devreler oluşturmasını sağlar.
Süper iletkenlik genellikle düşük sıcaklıklarda gerçekleşir, bu nedenle birçok süper iletken uygulaması için soğutma gereklidir. Soğutma, malzemenin kritik sıcaklığının altında kalmasını sağlar.
Süper iletkenlik, birçok uygulama alanında kullanılmaktadır, ancak düşük sıcaklık gerekliliği bazı zorluklar doğurabilir. Bu nedenle, süper iletkenlik alanında sıcaklık toleranslarının artırılması ve yeni malzemelerin araştırılması devam etmektedir.
| Ölçüt | Normal iletken | Süper iletken |
|---|---|---|
| Sıcaklık düşerken direnç | Kademeli olarak azalır ama sıfır olmaz | Tc’de aniden sıfıra iner |
| Akım geçerken enerji kaybı | Vardır (tel ısınır) | Hiçbir enerji kaybı yaşanmaz |
| Manyetik alan | İçinden geçer | Dışlanır (Meissner etkisi) |
| Halkada akım | Zamanla söner | Sonsuza kadar döngüsel olarak akabilir |
| Çalışma koşulu | Özel bir koşul gerekmez | Soğutma — Tc altında kalmalı |
Süper iletkenlerin tamamı Meissner etkisi olarak adlandırılan bir özellik gösterir. Bu etki, süper iletken malzemelerin süper iletken durumdayken (sıcaklığı kritik sıcaklığın altındayken) manyetik alanı dışlamasıdır.
Manyetik alanı tümüyle dışlama özelliğine diyamanyetik özellik denir.
Dış manyetik alanın şiddeti, süper iletken bir malzemenin içine girdikten çok kısa bir süre sonra sıfırlanır. Bu nedenle tüm süper iletkenler kusursuz diyamanyetik özellik gösterir.
T > Tc: malzeme normal hâldedir; oklarla temsil edilen manyetik alan çizgileri malzemenin içinden geçer.
Tc > T: malzeme süper iletken hâldedir; alan çizgileri süper iletkenin içerisinden dışarıya atılır ve içerideki alan sıfır olur.
Bir demir parçası mıknatısa yaklaştığında mıknatıslanır ve çekilir. Süper iletken bunun tam tersini yapar: alanı içine hiç almaz, dışlar, bu yüzden aralarında itme doğar ve mıknatıs havada asılı kalabilir. Maglev treninin havalanmasında kullanılan da bu itme kuvvetidir. İkinci ayrıntı: bu etki bazı süper iletkenlerde değil, tamamında görülür.
Maglev trenleri, manyetik levitasyon prensibini kullanarak hareket eden trenlerdir. Bu trenlerde süper iletken malzemelerin manyetik itme kuvveti (Meissner etkisi) kullanılır ve tren havada asılı kalır.
Maglev trenlerinde geleneksel motorlar yerine elektromıknatıslar kullanılır. Trenin tabanındaki ve raylardaki elektromıknatıslar arasında bir manyetik itme kuvveti oluşur ve bu kuvvet trenin raya temas etmeden hareket etmesini sağlar.
Bu sayede sürtünme kaynaklı enerji kaybı en aza indirilir. Tekerlek yoksa tekerlek sürtünmesi de yoktur; geriye yalnız hava direnci kalır.
MAGLEV trenlerinin çalışma prensibi 3 döngüye dayanmaktadır.
1. döngüde, manyetik kuvvet yardımı ile tren dikey olarak raydan
yaklaşık 12,7 cm yükseltilir.
2. döngüde, tren yatay olarak uygun bölümde tutulur.
3. döngüde, tren manyetik kuvvetin etkisi ile hareket ettirilir.
Maglev trenleri, 500 km/saat hıza ulaşabilen yüksek hızlı trenlerdir ve bu hız, bir uçağın ortalama uçuş hızına yakındır.
Süper iletkenler; manyetik güç depolama sistemleri, maglev trenleri, maglev rüzgâr türbinleri, parçacık hızlandırıcılar, süper iletken kablolar gibi teknolojilerde kullanılmaktadır.
Parçacık hızlandırıcılar, yüklü temel parçacık demetlerini elektrik alanının yardımıyla hızlandırır ve manyetik alanın yardımıyla bir arada tutar. Bu sistemlerde süper iletkenler kullanılarak yüksek hızlara ulaşan parçacıklar çarpıştırılır.
Elde edilen veriler; parçacık fiziği ve nükleer fizik alanlarının yanı sıra petrol ve gaz rezervlerinin belirlenmesi, nanoteknoloji, nükleer atıkların temizlenmesi, biyoteknoloji, gen bilimi, gıda sterilizasyonu, savunma sanayi gibi birçok alanda kullanılır.
Dünyanın en büyük ve güçlü parçacık hızlandırıcısı Large Hadron Collider (LHC), Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nin (CERN) parçacık hızlandırıcı kompleksindedir.
Bu parçacık hızlandırıcı, parçacık hızlandırıcı tüneli içinde çalışır ve temel parçacıkların çarpıştırılmasıyla çeşitli bilimsel araştırmaların ve keşiflerin yapılmasına olanak tanır.
Süper iletkeni cebinde taşıyamazsın ama etkisini gördüğün yerler var. Aşağıdaki dokuz sahne, bu ünitenin fiziğini senin gününden anlatıyor.
Kablo ısınıyorsa enerjinin bir kısmı ısıya gidiyor demektir — sebebi direnç. Süper iletkende direnç sıfır olduğu için ısınma da yoktur; hiçbir enerji kaybı yaşanmaz. Ünitenin bütün cazibesi bu tek farkta.
Bir arkadaşının dizi için girdiği MR cihazının içinde çok güçlü bir mıknatıs var ve bu mıknatıs süper iletken bobinlerle kurulur — çünkü akımın kayıpsız dolaşması gerekir. Cihazın sürekli soğutulmasının sebebi de bu: malzeme kritik sıcaklığın altında kalmalı.
Sıvı azota batırılan siyah bir plaka üstünde havada asılı duran mıknatıs videoları Meissner etkisidir. Plaka kritik sıcaklığın altına inince manyetik alanı dışlar ve mıknatısı iter. Sıvı azot buharlaşıp plaka ısınınca mıknatıs düşer — çünkü koşul bozulmuştur.
Normal trende duyduğun o ritmik gürültü tekerlek ile ray arasındaki sürtünmenin sesi. Maglev’de tekerlek yok: tren raydan yaklaşık 12,7 cm yukarıda duruyor ve sürtünme kaynaklı enerji kaybı en aza indiriliyor.
Tatil planı yaparken uçakla tren arasında seçim yapıyorsan şu sayı ilginç: maglev trenleri 500 km/saat hıza ulaşabilir ve bu hız bir uçağın ortalama uçuş hızına yakındır. Şehir merkezinden kalktığı için kapıdan kapıya süre bazen daha kısa oluyor.
Laboratuvarda gördüğün sıvı azot, süper iletken deneylerinin en yaygın soğutucusudur. Bazı süper iletkenler daha da soğuk olan sıvı helyum sıcaklıklarında çalışır; bazıları daha yüksek sıcaklıklarda süper iletkenlik gösterebilir — kritik sıcaklık malzemenin türüne ve bileşimine bağlıdır.
Haberlerde geçen LHC, dünyanın en büyük ve güçlü parçacık hızlandırıcısıdır ve CERN’dedir. Parçacıkları bir arada tutan devasa mıknatıslar süper iletkenlerle yapılır. Oradan çıkan bilgi yalnız fizikte kalmıyor: gen bilimi, gıda sterilizasyonu, nükleer atık temizliği gibi alanlarda da kullanılıyor.
Otobüs yolculuğunda gördüğün dev türbinlerin yeni nesli maglev rüzgâr türbinleri. Dönen kısım manyetik olarak asılı tutulunca sürtünme azalır ve daha düşük rüzgârda bile enerji üretilebilir.
Santralden eve gelene kadar elektriğin bir kısmı kablolarda ısıya dönüşerek kaybolur. Süper iletken kablolar bu kaybı ortadan kaldırmayı hedefliyor. Henüz yaygın olmamasının sebebi tek bir cümlede: düşük sıcaklık gerekliliği bazı zorluklar doğurur — bu yüzden yeni malzemeler araştırılıyor.
46 soruluk test · süper iletkenin tanımı ve kritik sıcaklık, direnç-sıcaklık grafiğinde normal iletkenle farkı, Meissner etkisi ve kusursuz diyamanyetik özellik, maglev trenlerinin üç döngüsü, parçacık hızlandırıcılar ve LHC
Sıcaklığı belirli bir değerin altına düşürüldüğü zaman doğru akıma karşı elektriksel dirençleri sıfır olan malzemelerdir. Süper iletkenlik, direncin sıfır olması veya sıfıra yaklaşması ve manyetik alanın dışlandığı malzemelerde görülür.
Elektrik akımı süper iletken malzeme boyunca sonsuza kadar akabilir ve hiçbir enerji kaybı yaşanmaz. Süper iletken bir halka ya da tel, akımın sonsuza kadar döngüsel olarak akmasını sağlayabilir; bu, mükemmel elektriksel kuantum devreler oluşturur.
Süper iletkenlik genellikle belirli bir sıcaklık altında gerçekleşir. Kritik sıcaklık, malzemenin türüne ve bileşimine bağlı olarak değişir. Bazıları sıvı helyum sıcaklıklarında, bazıları daha yüksek sıcaklıklarda süper iletken olur.
Süper iletkenler manyetik alanları güçlü bir şekilde dışlar; bu özellik manyetik levitasyon uygulamalarında kullanılır. Düşük sıcaklık gerektiği için soğutma zorunludur; soğutma malzemenin Tc altında kalmasını sağlar.
Süper iletkenlerin tamamı Meissner etkisi gösterir: süper iletken durumdayken (T < Tc) manyetik alanı dışlar. Alan çizgileri malzemenin içinden dışarı atılır. Manyetik alanı tümüyle dışlama özelliğine diyamanyetik özellik denir; dış alanın şiddeti içeri girdikten çok kısa süre sonra sıfırlanır, bu yüzden tüm süper iletkenler kusursuz diyamanyetiktir.
Manyetik güç depolama sistemleri, maglev trenleri, maglev rüzgâr türbinleri, parçacık hızlandırıcılar, süper iletken kablolar.
Manyetik levitasyon prensibiyle çalışır; süper iletkenlerin manyetik itme kuvveti (Meissner etkisi) kullanılır ve tren havada asılı kalır. Motor yerine elektromıknatıs vardır. Üç döngü: 1) raydan ~12,7 cm dikey yükseltme, 2) yatay olarak uygun bölümde tutma, 3) manyetik kuvvetle hareket ettirme. 500 km/saat hıza ulaşabilir.
Yüklü parçacık demetlerini elektrik alanıyla hızlandırır, manyetik alanla bir arada tutar. Dünyanın en büyüğü LHC, CERN’dedir. Elde edilen veriler petrol-gaz rezervleri, nanoteknoloji, nükleer atık temizliği, biyoteknoloji, gen bilimi, gıda sterilizasyonu ve savunma sanayinde de kullanılır.