Fizik ve Kimya gibi temel bilimlerde problem çözerken ‘’kayıplar ihmal edilecektir’’ sözüne sıkça rastlarız. Gerçek hayatta da kayıplar yok sayılsa muazzam bir enerji tasarrufu sağlanırdı. Son yıllarda özellikle sürtünme ve iletken direnci gibi faktörlerden dolayı yaşanan enerji kaybını minimum seviyeye indirgemek amacıyla, bilim insanları süper iletkenlik ve süper iletken malzemeler üzerinde çalışmalar yapmaktadır.
Süper iletkenlik 1911 yılında Heike Kamerling Onnes tarafından 4.2 Kelvin sıcaklığında cıvanın elektrik direncinin sıfır olduğunu fark etmesiyle ortaya çıkmıştır. Kuantum mekaniği altında incelenen süper iletkenler; karakteristik bir kritik sıcaklığın (Tc) altında soğutulmasıyla ortaya çıkan, maddenin elektriksel direncinin sıfır olması ve manyetik değişim alanlarının ortadan kalkması şeklinde görülen bir fenomendir. Metal bir iletkenin sıcaklığı düşürülürken orantılı olarak malzeme elektriksel direncini kaybetmeye başlar. Fakat bakır ve gümüş gibi sıradan iletkenlerde saf olmama ve başka bozukluklar nedeni ile bu özellik sınırlandırılabilir; yani sıcaklık mutlak sıfıra yakınken bile bir miktar direnç gösterebilir. Süper iletkenlerde ise; sıcaklık kritik sıcaklığın altına düştüğünde direnç sıfırlanır. Elektrik akımı süper iletken malzemeden yapılmış bir telden geçerken, herhangi bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan sürekli akıma devam eder. Fakat süper iletken bir metal; sonra tekrar ısıtıldığında belli bir kritik sıcaklıkta direnci olan normal iletken bir metale dönüşebilir. Bu nedenle süper iletkenler ev ve iş yeri uygulamalarında kullanılmak için uygun malzemeler değildir. Yine de çeşitli alanlarda kullanıldıklarından bahsedebiliriz.
Süper iletkenlik fenomeninin nasıl gerçekleştiğini anlamak için; Cooper Çifti, BCS Teorisi ve Meissner Etkisi hakkında bilgi sahibi olmak gerekmektedir.
Cooper Çifti:
Metal malzemelerde negatif yüklü elektronların atom örgüsü içerisinden geçerken pozitif yüklü elektronlar ile etkileşim içerisine girmesiyle Cooper Çiftleri adı verilen ikili yapıların oluştuğu gözlemlenir. Bu yapı ile elektronlar; iyonlar ile elektromanyetik bir yapı üzerinde hareket etmeye başlar. Elektron yağılar metal elementlerde atomlar üzerine oldukça zayıf bir şekilde bağlanmaktadır. Bu zayıf bağ etkisiyle; elektronlar atomlar üzerinde serbestçe gezerek Cooper Çiftlerini oluşturur.
BCS Kuramı:
İletkende hareket eden elektron, kafesteki pozitif yüklere çekilir. Kafeste gerçekleşen bu deformasyon, karşı spindeki diğer elektronun daha yüksek pozitif yük yoğunluğundaki bölgeye doğru hareket etmesine sebep olur. Bu iki elektron daha sonra korelasyona uğrar. Çünkü bir süper iletkende bu şekilde birçok elektron çifti gözlemlenir. Bahsedilen elektron çiftleri güçlü bir şekilde üst üste gelir ve yüksek yoğunluk oluşturur. Bu “yoğunlaşmış” halde bir çiftin kırılmasıyla enerji tüm kondenste değişime sebep olur. Bu nedenle tek bir çiftin kırılması için gerekli enerji, tüm çiftlerin yıkılması için gereken enerji ile de bağlantılıdır. Çünkü bu çiftleşme, enerji bariyerini artırır. İletken (yeterli düşük sıcaklıktaki küçük olan olanlar) içinde titreşen atomları itmesi tüm kondensteki ya da kondensteki tek bir yüzey çiftini yeterince etkileyemez. Böylece elektronlar çiftler halinde kalır, bu nedenle bütün itmelere karşı dayanıklıdırlar ve süper iletkendeki elektron akımı dayanıklı haldedir.
Meissner Etkisi:
Süper iletkenlerin elektrik direnci sıfırdır. Bunun yanında diamanyetik özellikleri de vardır. Yüklü parçacığın bir eksen etrafında dönmesiyle manyetik alan oluşumu gözlemlenir. Oluşan manyetik alanın yönü parçacığın dönme yönüne bağlıdır. Elektronlar atomlarda manyetik alan oluşturan taneciklerdir. Proton ve nötron etkileri çok küçük olduğu için ihmal edilir. Atom veya molekülün elektron dizilişini incelediğimizde eşlenmiş elektronların haricinde eşlenmemiş elektronların olduğu da görülür. Eşleşmiş elektronların dönme yönleri birbirine ters olduğundan oluşturdukları manyetik alanlar birbirlerini sıfırlayacakları tahmin edilebilir. Bu olaya Meissner Etkisi (akı dışarlanması) adı verilir. Meissner Etkisi bir mıknatısı askıda tutabilir. Süper iletken olan bir malzemeyi sıvı azot ile soğutarak, sıcaklığını mutlak sıfır noktasına yaklaştırılırsa; mıknatısı havada askıda tutabilme özelliğine sahip olur ve bu özelliğini malzemenin kritik sıcaklığa ulaşıncaya kadar sürdürür.
Süper İletkenlerin Uygulama Alanları:
Maglev Treni: Süper iletkenlerin en önemli örneklerinden biri olan Manyetik Levitasyon treni, ilk kez Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki çalışmalar sırasında keşfedildi. Maglev Treni’nde, süper iletken mıknatıslar treni U şeklindeki rayların üzerinde askıda tutmaktadır. Bu mıknatıslarda da, normal mıknatıslarda gözlemlediğimiz gibi aynı kutuplar eşleştiğinde birbirini iter. Tren ve sistem, köşelerinde 4 tane mıknatısın olduğu bir kutu şeklindedir. Kullanılan mıknatıslar süper iletkendir, bu nedenle -267 C° ‘ye kadar soğutulmaları gerekmektedir. Yerleştirilen 4 mıknatıs sıradan mıknatısların ürettiğinden 10 kat daha güçlü manyetik alanlar üretebilirler. Üretilen bu manyetik alan, treni havada tutacak ve hareketinin devamını sağlayabilecek kadar güçlüdür.
MR (Manyetik Rezonans): MR cihazının çalışması kısaca özetlenirse; cihazda bulunan güçlü mıknatıslar, insan hücresinde bulunan atom çekirdeklerinin titreşim yapmasını sağlayacak alanlar yaratır. Titreşen atomlar üzerine gönderilen radyo dalgaları onların salınım yapmalarını sağlayacak ve bu salınımların sonucunda bu atomlar bir radyo dalgası yayılımı yapmaya başlayacaklardır. Bu yayımlanan dalgalar ise bir bilgisayar yardımıyla hareketsiz veya hareketli 3 boyutlu görüntüler oluşturur.
Mühendislik kategorisindeki diğer içerikleri de okumanızı tavsiye ederiz!
