Süper İletken Maddeler Nelerdir

Bir maddenin, enerji iletkenliğinde direncinin ^^0^^olması durumuna,^^süperiletkenlik^^özelliği deniyor1911 yılında ilk kez Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes, belirli şartlarda civanın süperiletken olduğunu bulduSonraki yıllarda, bir kısmı Onnes tarafından olmak üzere, iki dizine den fazla elementin ve binlerce metal alaşımın da birbirlerinden farklı şartlarda süperiletken olabileceği anlaşıldıHer geçen gün bu maddelere yenileri ekleniyorBugün hala, insanların yaşayabilecekleri şartlarda ve sıcaklıklarda bilinen teknolojik uygulamalarda kullanılabilecek özelliklere sahip süper iletken bir madde bulunmuş değildirHer şey bir yana böyle bir süperiletken madde bulunduğunda,öncelikle,insanlık tarihinin en önemli enerji tasarrufu imkanı kendiliğinden ortaya çıkacaktırBu tasarruf, sadece daha önce kullanılmayan enerjinin nihai kullanım noktasına kadar gelmesi ile elde edilecek bir tasarruf değil, aynı zamanda özellikle cisimlerin hareketi sırasında, sürtünmeden kaynaklanan enerji kayıplarından da büyük ölçüde kurtulmasıdır

Süperiletkenlik olgusu elektronların davranışıyla belirlenir:Süperiletken bir metalin kristal örgüsündeki serbest elektronların,civarlarındaki pozitif iyonlarla etkileşmeleri örgüde kusurlara neden olurBunun sonucunda, normalde birbirlerini itmesi gereken elektronlar arasında dolaylı bir çekim kuvveti, dolayısıyla metal içinde elektron çiftleri oluşurCooper çiftleri adı verilen bu elektron çiftlerinin saçılma ile birbirlerinden ayrılmaları zordurÜstelik bu çiftlerin saçılmayı önleyici kuantum özellikleri de vardırBu çiftler süperiletkenliğin sorumlusudurÇünkü metallerde elektriksel iletkenlik temelde saçılmaya bağlıdır;ne kadar az sayıda saçılma olursa metal elektriksel olarak o kadar iyi iletken hale gelir

Süperiletkenlik olgusunun kuramsal olarak açıklanması yüzyılımızın ortalarında John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer isimli üç Amerikalı fizikçi tarafından yapıldı ve bu çalışmaları onlara Nobel ödülü kazandırdı

JET HIZINDA TRENLER:

Süperiletken maddelerde görülen manyetik itme kuvveti (Meissner etkisi),Batı ülkelerinde halk arasında^^uçan trenler^^ diye adlandırılan,manyetik yastık üzerinde kayan MAGLEV trenlerinin yapılması fikrini doğurmuşturBaşta Japonya ve Almanya olmak üzere MAGLEV trenleri üzerinde yapılan araştırmalarda bugüne kadar 500 km/h hıza ulaşılmış bulunulmaktadırBu, neredeyse ortalama bir jet uçağının optimum uçuş hızına yakındır

Japonya da geliştirilen, süperiletken MAGLEV trenleri, özel bir ray üzerinde, aracın her iki ucunda bulunan süper soğutmalı, süperiletken mıknatıslar vasıtası ile yükseltiliyorTren hareket ettiğinde raydaki iletkenlere verilen elektrik akımı bir itme gücü oluşturuyorTren 100km/h hızı aştığı anda, tekerlekleri içe katlanıyor ve hat üzerinde havlanmaya başlıyorYani tren, sürtünmesiz bir ortamda hattın üzerinde adeta uçmaya başlıyorEnerji tasarrufu içinde ısınan mıknatıslar bir soğutma sistemi ile soğutuluyorMAGLEV trenini istendiğinde durdurmak için ise, akım yönü tersine çevriliyorİleriye doğru hızla akan aracın kütlesi, bu sefer zıt yönde bir itme gücü ile durduruluyorBu, tıpkı uçaklarda piste inişten sonra kullanılan motor freni gibidir


BÜTÜN SIR MIKNATISLARDA

Süperiletken maddenin en önemli özelliklerinde biri mükemmel diyamanyetik olmalarıdır1933 yılında, Messnir ve Ochsenfeld, bir metalin süperiletken olduktan sonra,içinden manyetik akım geçişine izin vermediğini gösterdilerŞöyle ki, kritik sıcaklığın altında soğutulmuş bir süperiletken, üstten hafif fakat güçlü bir mıknatısa yaklaştırıldığında, süperiletken parça havada kalacaktırBuna, süperiletken metallerin ^^levitasyon^^özelliği denmektedir


SÜPERİLETKENLERİN UYGULAMA ALANLAR

Süperiletkenlerin kullanılmasıyla elde edilen ürünler,^^süperiletken kablo ve mıknatıslar^^ ile ^^süperiletken film ve Josephsoneklemi ve bunların bileşiminden oluşan mikro devreler^^ olmak üzere iki ana grupta toplanmaktadır

YÜKSEK ENERJİ FİZİĞİ:

Süperiletkenler sayesinde yüksek manyetik akım yoğunluğu elde edilebildiğinden, halk arasında ^^emar^^ olarak bilinen ^^magnetik rezonans(MR) görüntüleme^^ cihazları geliştirilmiş ve tıbbi teşhis alanında önemli bir mesafe kat edilmiştir

SÜPERİLETKEN KABLOLAR

1000 KW ve 10 GVA gibi, bugüne kadar hayali bile mümkün olmayacak derecede yüksek kapasitede enerji iletim kablolarının üretimi gerçekleştirilmiştirBu kabloların henüz çok kırılgan olmaları nedeniyle, bilimsel araştırmalar devam etmektedir

DEMİR YOLU TAŞIMACILIĞI

Süperiletkenlerle elde edilen güçlü manyetik alan vasıtası ile hareket eden MEGLAV trenleri geliştirilmiştir

PARÇACIK ÇARPIŞTIRICILARI

Parçacık fiziği deneylerinde kullanılan parçacık çarpıştırıcılarında ışık hızına yakın hızlarda hareket eden atom altı parçacıklarının merkeze bağlı tutulabilmesi için gerekli olan güçlü mıknatıslar, ancak süperiletkenlerle yapılabilmektedirBu mıknatıslar gereken enerjinin büyüklüğü, çoğu zaman istenilen enerji düzeyinde deneylerin yapılmasını mümkün kılmamaktadırAncak, mıknatısların süperiletkenlerden yapılması ile ileri düzeyde deneyler yapılabilmektedir

ELEKTRONİK DEVRELER

Hemen tüm elektronik devrelerde ve özelliklede entegre devrelerde ara bağlantılarda kullanılan iletkenlerin dirençlerinden kaynaklanan sorunlar, önemli bir maliyet unsuru olmaktadırBu sorunların, süperiletkenlerin kullanılması ile giderilebileceği düşünülmektedir

PARÇACIK HIZLANDIRICIDAN ‘NANOROBOT’A

Burada, süperiletkenlerin çeşitli kullanım alanları arasında önemli bir yer tutan, bilimsel araştırmalarda deney imkanlarının geliştirilmesine yaptığı katkıya bir örnek vermek gerekiyor

Süper İletken Nedir? Süper İletken Neye Denir? Süper İletkenler Nelerdir?



Süperiletkenler ısıları belli bir seviyeye düşürüldügünde elektrik akımına karşı dirençlerini tamamen kaybeden maddelerdir Bu bize elektrik akımının sıradan iletkenlerde dirençten doğan ve ısı olarak yayılan enerji kaybını (%3 ile %10 arasındadır) engelleme olanağı verirörn
Süperiletkenlerin bir başka özelliği ise kusursuz diamanyetik olmalarıYani süperiletkenler manyetik alanı tamamen iter Böylece süperiletken mıknatıslar yardımıyla örneğin bir treni raylara temas etmeden hareket ettirebilir ve sürtünmeyi azalttığımız için trenin çok daha hızlı gitmesini sağlarız Bu tip süper hızlı trenler Japonya’da kullanılmakta


1900’lü yılların başından beri popülaritesini hiç kaybetmemiş çalışma alanlarından biri de süper iletkenliktir Danimarkalı fizikçi K Onnes 1908 yılında mutlak sıfırın birkaç derece üstündeki sıcaklıklarda civanın elektriksel direncini ölçerken 42 °K de direncin aniden sıfıra gittiğini gözledi Daha sonra bu mükemmel iletkenliğe keskin geçişin başka metal ve alaşımlarda da olduğu bulundu ve bu olguya süper iletkenlik adı verildiBir metal özelliklerine bağlı olarak değişen ve geçiş sıcaklığı adı verilen belli bir sıcaklıkta süper iletken hale gelir Elektrik akımı yani elektronların akışı iletken kablolar yardımıyla sağlanır Fakat bu metal kabloların elektriksel dirençleri vardır ve akımın telden akması sırasında bu direnç nedeniyle enerjilerinin bir kısmı atık ısıya dönüşür

Süper iletken malzemelerde ise neredeyse hiç elektriksel direnç yoktur Dolayısıyla elektrik akımı bir süper iletkenden hiç enerji kaybına uğramadan akabilir Bu da elektriğin kaynağından kullanılacağı yere taşınırken oluşan her türlü kaybın ortadan kalkması anlamına gelmektedir

Süper iletkenleri tanımlarken yalnızca sıfır elektriksel dirence sahip olduklarını söylemek yetmez Süper iletkenler aynı zamanda mükemmel diamagnetik özellikler gösteren maddelerdir Yani bu süper iletken maddelerin manyetik alanı tamamen itecekleri anlamına gelir Süper iletkenlerin bu özellikleri ilerleyen teknoloji yardımıyla günümüzde de bir çok kullanım alanı bulmuştur

Örneğin hızlı trenler kullanılan süper iletken mıknatıslar yardımıyla raylara temas etmeden hareket ettirilebilir ve sürtünmeden kaynaklı enerji ve hız kaybı oldukça azalır Günümüzde Güney Kore Japonya gibi bu teknolojiye sahip ülkeler ulaşım aracı olarak hızlı trenlere oldukça fazla rağbet göstermekte
Süper iletkenlikte temel amaç geçiş sıcaklığı Tc yi yukarıya çekmektir Ulaşılması güç olan sıcaklıklar yerine oda sıcaklığınayakın değerlerde süper iletim durumuna geçebilen kullanım alanı geniş malzemeler elde etmek için malzeme bilimciler aralıksız olarak çalışmalarını sürdürmektedir Bu nedenle Süper iletken sistemlere farklı elementler ilave edilmekte veya daha değişik kompozisyonlar hazırlanmaktadır

Süper iletkenlik olgusunun kuramsal olarak açıklanması ise yüzyılımızın ortalarında John Bardeen Leon Cooper ve John Schrieffer isimli üç Amerikalı fizikçi tarafından yapıldı ve bu çalışmaları onlara Nobel Ödülü kazandırdı…



Süper iletken 1986'da George Bednorz kayıp olmaksızın enerjiyi transfer edebilen bir madde geliştirdi Böylece 'süper iletken'kavramı hayatımıza girmiş oldu Süper iletkenler 'bilgi çağı'nın açısından çok önemli gelişmeleridir Sıradan bir bakır telden iletildiğinde enerjinin yaklaşık % 40'ı kaybolmaktadır Işte bu yüzden süper iletkenler insanlığın enerjiyi doğru ve verimli kullanabilmesi açısından çok önemlidirsüper iletken bir fen konusudurelektrikte direnç üstü bir kavramdır
Elektrik iletkenliği bakımından iletken ile yalıtkan arasında kalan maddelerdir
Normal durumda yalıtkan olan bu maddeler ısı ışık manyetik etki veya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletken duruma gelirler Uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında ise yalıtkan duruma geri dönerler Bu özellik elektronik alanında yoğun olarak kullanılmalarını sağlamıştır
Yarı iletkenlerin değerlik yörüngelerinde dört elektron bulunur Bu yüzden yarı iletkenler iletkenlerle yalıtkanlar arasında yer almaktadır Elektronik elemanlarda en yaygın olarak kullanılan yarı iletkenler germanyum ve silisyum elementleridir
Tüm yarı iletkenler son yörüngelerindeki atom sayısını sekize çıkarma çabasındadırlar Bu nedenle saf bir germanyum elementinde komşu atomlar son yörüngelerindeki elektronları kovalent bağ ile birleştirerek ortak kullanırlar Atomlar arasındaki bu kovalent bağ germanyum elementine kristal özelliğini kazandırır Silisyum da özellik olarak germanyum ile hemen hemen aynıdır
Yarı iletkenli elektronik devre elemanlarında daha çok silisyum kullanılır Silisyum ve germanyum devre elemanı üretiminde saf olarak kullanılmaz Bu maddelere katkı katılarak değerlik bandı enerji seviyesi yukarıya veya iletkenlik bandı enerji seviyesi aşağıya çekilir Değerlik bandının yukarı çekildiği yarı iletkenlere P tipi yarı iletken iletkenlik bandının aşağıya çekildiği yarı iletkenlere ise N tipi yarı iletken denir P tipi yarı iletkende yüklü boşluk derişimi N tipi yarı iletkende ise elektron derişimi göreli olarak daha yüksektir
Yarı iletkenler germanyum silisyum selenyum gibi elementler olabildiği gibi; bakır oksit galyum arsenid indiyum fosfürkurşun sülfür gibi bileşikler de olabilirmetaller kendi aralarında sınıflandırılır soy maddeler (altın gümüş platin) gibi soy olmayan maddeler (demir çinko aliminyum)gibi yarı metaller iyi metal özelliği göstermez bu elementler hem metal hemde ametal özelliği gösterir silisyum bor antimum ar ik gibi elementler yarı metaldir

Elektrik iletkenliği yüksek (bakırın yaklaşık %70’i oranında) olan ve kolayca kimyasal tepkimelere girmeyen altın en çok elektrik ve elektronik sanayilerde bağlantıların terminallerin baskı devrelerinin transistörlerin ve yarı iletken sistemlerin kaplanmasında kullanılır
Saf gümüş kolay paslanmaz Elektrik ve ısıyı çok iyi iletir Fakat çok yumuşak olup mekanik kuvvete karşı direnci azdır

Alüminyum aynı zamanda bir süper iletkendir Süper iletkenliğe geçiş kritik sıcaklığı 12 K dir
Asit Sulu çözeltileri elektirik akımını iletir