Süper İletken Maddenin Temel Özellikleri

Elektrik santrallerinden üretilen elektrik enerjisinin üretimi ve dağıtımı sırasında elektrik şebekesinde kullanılan tellerin direncinden dolayı amaç dışı ısıya dönüşen elektrik enerjisi oldukça fazladır. Elektrik akımı iletiminde kayıplar azaltılırsa ciddi tasarruflar sağlanır. Böyle bir iletim ancak direnci sıfır olan malzemelerle mümkün olmaktadır.

Süper iletkenlik, herhangi bir iletkenin elektrik direncinin kritik bir sıcaklık (süper iletkenliğe geçiş sıcaklığı) ve kritik bir manyetik alan altında tamamen ortadan  kalkmasıdır.

Mutlak sıfıra (0 K, —273 ⁰C) yakın sıcaklıklarda elektrik akımına karşı direnç göstermeyen maddelere süper iletken madde denir.

Maddelerin süper iletkenlik özelliği gösterdiği sıcaklık değerine kritik sıcaklık denir. T_c ile gösterilir.

İletkenlerin sıcaklığı düştükçe elektriksel direnç azalır. Grafikteki gibi, metal olmayan maddelerin direnci sıfıra yakın sıcaklıklarda belirli bir değere kadar düşer. Süper iletkenlerin ise, kritik sıcaklık ve altında direnci sıfır olur.

Süper iletkenlikle ilgili çalışmalar ilk kez 1908 yılında Hollandalı Fizikçi Heike Kamerlingh Onnes’in (Heke Kemirlin Ons) helyumu sıvılaştırması ile başlamıştır.

Bu keşiften sonra çok sayıda element, alaşım ve bileşiklerin düşük sıcaklıkta iletkenlikleri incelenmiş, hangi katıların hangi kritik sıcaklıkta süper iletken olduğu tespit edilmiş ve bu maddelerin özellikleri incelenerek endüstriyel kullanıma yönelik çalışmalar yapılmıştır.

Oda sıcaklığında iyi iletken olarak bilinen demir, gümüş, altın ve bakır soğutulduğunda süper iletkenlik gösteremez. Bilinen süper iletkenlerin bir çoğu alaşım ve bileşiklerdir.

Süper iletkenlerin kritik sıcaklıkta sıfır direnç göstermelerinin yanı sıra yakınlarında bulunan herhangi bir manyetik alanı dışlamaları da ayırt edici özelliklerindendir.

Bir mıknatısı, kritik sıcaklığın altında bulunan bir süper iletken ters kutuplu bir mıknatıs gibi iter.

Yukarıdaki şekilde süper iletken mıknatısı itmektedir. Bu olay, Manyetik alanın süper iletken yapı içerisinden dışlanması olarak  veya Meissner olayı olarak bilinmektedir.

Bu dışlama uygulanan manyetik alanın çizgilerini süper iletkenin yüzeyinde birbirine daha yakın hâle getirerek süper iletken içerisinden uzaklaştırır.

Süper iletken malzemeler, kritik manyetik alan durumuna göre ikiye ayrılır.

I. tip süper iletkenler, sadece belirli bir kritik manyetik alan değerinin altında

II. tip süper iletkenler, alt ve üst kritik alanlar olmak üzere iki kritik manyetik alan değerinde süper iletkenlik davranışı gösterir.

Süper İletkenliğin Teknolojideki Kullanım Alanları

Süper iletkenler, elektrik akımına karşı sıfır direnç göstermesi ve kayıpsız olarak elektrik akımını iletmesiyle birlikte elektrik akımının taşınmasında, depolanmasında, güçlü mıknatısların yapılmasında ve elektrikle çalışan hassas cihazların yapımında önemli bir yer tutmaktadır. Neredeyse ışık hızına yakın sinyal taşıma kapasitesine sahip olması ise haberleşmede, savunma sanayinde ve mikrodalga teknolojisinde önem arz ederken elektronik devrelerde ve cihazlarda ısınma problemini de ortadan kaldırmaktadır.

Süper iletkenlerin manyetik alanları dışarılamaları sonucunda manyetik bir itme kuvvetinin oluşması hızlı trenlerin (MAGLEV-Manyetik Levitasyon Treni) temelini
oluşturmaktadır.

MAGLEV trenleri özel bir ray üzerinde trenin her iki ucunda bulunan süper soğutmalı süper iletken mıknatıslar sayesinde yükseltilir. Tren hareket ettiğinde raydaki iletkenlere verilen elektrik akımı bir itme gücü oluşturur ve tren hızlanır. Tren 100 km/h hızı aştığında tekerlekleri içe katlanır ve havalanmaya başlar. 

Tren  durdurulmak istendiğinde ise akımın yönü ters çevrilir ve zıt yönde bir itme gücü ile durdurulur.

Süper iletkenler sayesinde yüksek manyetik akım yoğunluğunun elde edilebilmesi manyetik rezonans (MR) görüntüleme cihazlarının geliştirilmesinde etkili olmuştur.

Nükleer fiziğin gelişmesinde önemli bir yere sahip olan parçacık çarpıştırma deneylerinde parçacıkların hızlandırılması ve merkeze bağlı tutunabilmeleri için gerekli olan güçlü mıknatıslar süper iletken malzemeler kullanılarak yapılmaktadır.