Superkonduktivitas

Konduktor kehilangan semua hambatan listriknya ketika didinginkan ke suhu yang sangat rendah (mendekati nol mutlak, sekitar -273° Celcius). Harus dipahami bahwa superkonduktivitas bukan hanya ekstrapolasi dari kecenderungan sebagian besar konduktor untuk secara bertahap kehilangan resistansi dengan penurunan suhu; alih-alih, ini adalah lompatan kuantum yang tiba-tiba dalam resistivitas dari terbatas menjadi tidak ada. Bahan superkonduktor sama sekali tidak memiliki hambatan listrik, bukan hanya sejumlah kecil .

Superkonduktivitas pertama kali ditemukan oleh H. Kamerlingh Onnes di Universitas Leiden, Belanda, pada tahun 1911. Hanya tiga tahun sebelumnya, pada tahun 1908, Onnes telah mengembangkan metode pencairan gas helium, yang menyediakan media untuk mendinginkan objek percobaan hanya beberapa derajat di atas nol mutlak. Memutuskan untuk menyelidiki perubahan hambatan listrik merkuri ketika didinginkan hingga suhu rendah ini, ia menemukan bahwa hambatannya turun menjadi tidak ada tepat di bawah titik didih helium.

Ada beberapa perdebatan tentang bagaimana dan mengapa bahan superkonduktor menjadi superkonduktor. Satu teori menyatakan bahwa elektron mengelompok bersama dan bergerak berpasangan (disebut pasangan Cooper ) di dalam superkonduktor daripada berjalan sendiri-sendiri, dan itu ada hubungannya dengan aliran tanpa gesekannya. Yang cukup menarik, fenomena suhu super dingin lainnya, superfluiditas , terjadi pada cairan tertentu (terutama helium cair), menghasilkan aliran molekul tanpa gesekan.

Superkonduktivitas menjanjikan kemampuan luar biasa untuk sirkuit listrik. Jika resistansi konduktor dapat dihilangkan seluruhnya, tidak akan ada rugi daya atau inefisiensi dalam sistem tenaga listrik karena hambatan nyasar. Motor listrik bisa dibuat hampir sempurna (100%) efisien. Komponen seperti kapasitor dan induktor, yang karakteristik idealnya biasanya dirusak oleh resistansi kawat yang melekat, dapat dibuat ideal dalam arti praktis. Sudah, beberapa konduktor, motor, dan kapasitor superkonduktor praktis telah dikembangkan, tetapi penggunaannya saat ini terbatas karena masalah praktis yang melekat dalam mempertahankan suhu super dingin.

Suhu ambang batas untuk superkonduktor untuk beralih dari konduksi normal ke superkonduktivitas disebut suhu transisi . Suhu transisi untuk superkonduktor "klasik" berada dalam kisaran kriogenik (mendekati nol mutlak), tetapi banyak kemajuan telah dibuat dalam mengembangkan superkonduktor "suhu tinggi" yang superkonduktor pada suhu yang lebih hangat. Salah satu jenisnya adalah campuran keramik dari itrium, barium, tembaga, dan oksigen yang bertransisi pada suhu -160° Celcius yang relatif nyaman. Idealnya, superkonduktor harus dapat beroperasi dalam kisaran suhu sekitar, atau setidaknya dalam kisaran peralatan pendingin yang murah.

Suhu kritis untuk beberapa zat umum ditunjukkan di sini dalam tabel ini. Suhu diberikan dalam kelvin, yang memiliki rentang kenaikan yang sama dengan derajat Celcius (peningkatan atau penurunan 1 kelvin adalah jumlah perubahan suhu yang sama dengan 1° Celcius), hanya diimbangi sehingga 0 K adalah nol mutlak. Dengan cara ini, kita tidak perlu berurusan dengan banyak angka negatif.

Bahan Elemen/Paduan Suhu kritis (K) AluminiumElement1.20CadmiumElement0.56LeadElement7.2MercuryElement4.16NiobiumElement8.70ThoriumElement1.37TinElement3.72TitaniumElement0.39UraniumElement1.0ZincElement0.91Niobium/TinAlloy18.1Cupric sulfideCompound1.6

Bahan superkonduktor juga berinteraksi dengan cara yang menarik dengan medan magnet. Sementara dalam keadaan superkonduktor, bahan superkonduktor akan cenderung mengecualikan semua medan magnet, sebuah fenomena yang dikenal sebagai efek Meissner . Namun, jika kekuatan medan magnet meningkat melampaui tingkat kritis, bahan superkonduktor akan menjadi non-superkonduktif. Dengan kata lain, bahan superkonduktor akan kehilangan superkonduktivitasnya (tidak peduli seberapa dingin Anda membuatnya) jika terkena medan magnet yang terlalu kuat. Faktanya, kehadiran apa saja medan magnet cenderung menurunkan suhu kritis bahan superkonduktor:semakin banyak medan magnet yang ada, semakin dingin bahan yang harus dibuat sebelum menjadi superkonduktor.

Ini adalah batasan praktis lain untuk superkonduktor dalam desain sirkuit, karena arus listrik melalui konduktor menghasilkan medan magnet. Meskipun kawat superkonduktor akan memiliki hambatan nol untuk melawan arus, masih akan ada batas berapa banyak arus yang dapat mengalir melalui kawat itu karena batas medan magnet kritisnya.

Sudah ada beberapa aplikasi industri superkonduktor, terutama sejak baru-baru ini (1987) munculnya keramik yttrium-barium-tembaga-oksigen, yang hanya membutuhkan nitrogen cair untuk mendinginkan, bukan helium cair. Bahkan dimungkinkan untuk memesan kit superkonduktivitas dari pemasok pendidikan yang dapat dioperasikan di laboratorium sekolah menengah (tidak termasuk nitrogen cair). Biasanya, kit ini menunjukkan superkonduktivitas oleh efek Meissner, menahan magnet kecil di udara di atas piringan superkonduktor yang didinginkan oleh rendaman nitrogen cair.

Resistansi nol yang ditawarkan oleh sirkuit superkonduktor mengarah pada konsekuensi yang unik. Dalam hubung singkat superkonduktor, dimungkinkan untuk mempertahankan arus besar tanpa batas dengan tegangan yang diterapkan nol!

Cincin bahan superkonduktor telah terbukti secara eksperimental untuk mempertahankan arus kontinu selama bertahun-tahun tanpa tegangan yang diberikan. Sejauh yang diketahui, tidak ada batasan waktu teoretis untuk berapa lama arus tanpa bantuan dapat dipertahankan dalam rangkaian superkonduktor. Jika menurut Anda ini adalah bentuk gerakan terus-menerus , kamu benar! Berlawanan dengan kepercayaan populer, tidak ada hukum fisika yang melarang gerakan terus-menerus; sebaliknya, larangan tersebut menentang mesin atau sistem apa pun yang menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsinya (apa yang akan disebut sebagai kesatuan berlebihan perangkat). Paling-paling, semua mesin gerak abadi (seperti cincin superkonduktor) akan baik untuk menyimpan energi, bukan menghasilkan dengan bebas!

Superkonduktor juga menawarkan beberapa kemungkinan aneh yang tidak ada hubungannya dengan Hukum Ohm. Salah satu kemungkinan tersebut adalah pembangunan perangkat yang disebut Josephson Junction , yang bertindak sebagai semacam relai, mengendalikan satu arus dengan arus lainnya (tentu saja tanpa bagian yang bergerak). Ukuran kecil dan waktu peralihan yang cepat dari Josephson Junctions dapat menghasilkan desain sirkuit komputer baru:sebuah alternatif untuk menggunakan transistor semikonduktor.

TINJAUAN:

• Superkonduktor adalah bahan yang sama sekali tidak memiliki hambatan listrik.
• Semua bahan superkonduktif yang dikenal saat ini perlu didinginkan jauh di bawah suhu sekitar untuk menjadi superkonduktor. Suhu maksimum di mana mereka melakukannya disebut suhu transisi .

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Tegangan, Arus, dan Resistansi
• Lembar Kerja Resistansi Spesifik Konduktor