Teknolojinin gelişmesiyle birlikte verimliliğin artırılması önem kazanmıştır. Özellikle elektrik alanında verimliliğin azalmasındaki sebeplerden biri, elektrik kablolarındaki dirençten kaynaklanan kayıp güçtür. Süperiletkenlik kullanılarak bu gibi kayıpların azaltıması mümkündür. Bununla birlikte süperiletken malzemeler güçlü manyetik özellikleri sayesinde birçok uygulamada kullanılabilir. Bu yazımızda süperiletkenlik olayını ve süperiletkenleri inceleyeğiz.
İçindekiler
Süperiletkenlik Nedir?
20. yüzyılın başlarında fizikçiler, malzemeleri mutlak sıfır olan -273 °C’ye kadar soğutmak için yeni laboratuvar teknikleri üzerine çalıştılar. Geliştirilen yeni teknikler kullanılarak, malzemelerin mutlak sıfıra yaklaşık sıcaklıklara kadar soğutulması mümkün oldu. Fizikçiler bu aşırı koşulların, malzemelerin iletkenliği üzerinde nasıl bir etki yaptığını araştırmaya başladılar. Yapılan araştırmalarda, kurşun ve civa gibi basit elementlerin iletkenliğinde önemli bir değişim gözlendi.
Nobel ödülü sahibi Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes, 1911 yılında kurşun ve civa başta olmak üzere birçok element üzerinde gözlemlerde bulundu. Onnes, belirli bir sıcaklığın altında kurşun ve civa elementlerinin, elektrik akımını dirençsiz bir şekilde ilettiği gözlemledi. Bir elementin, elektrik akımını dirençsiz şekilde ilettiği sıcaklık, kritik sıcaklık (tk) olarak adlandırılır. Bu sıcaklık, kurşun elementi için 4.2 Kelvin (-268.950 °C), civa elementi için ise 7.7 Kelvin (-265.450 °C) olarak hesaplandı. Yapılan gözlemler sonrasında, elementin elektrik akımına karşı direnç göstermemesi, süperiletkenlik olayı adlandırılmıştır.
Süperiletken Nedir?
Ohm kanununun da kanıtladığı gibi; bir iletken içinden akan akım, iletkenin direnciyle ters orantılıdır. Dolayısıyla iletkenin direnci arttıkça, iletkenden akan elektrik akımı azalacaktır. Elektrik akımına karşı direnç göstermeyen iletkenler ve malzemeler, süperiletken olarak adlandırılır.
Süperiletkenlik olayının 1911 yılında keşfedilmesinden sonra, birçok element üzerinde süperiletkenlik deneyi yapılmıştır. Yapılan deneylerde kalay, seramik, alüminyum, titanyum gibi birçok elementin de kritik sıcaklıkta süperiletken özellik gösteridiği gözlemlenmiştir.
Günümüzde süperiletkenler özelliklerine göre, tip 1 ve tip 2 olmak üzere iki kategoriye ayrılmaktadır:
Tip 1 Süperiletken
Tip 1 süperiletken kategorisi, oda sıcaklığında bir miktar iletkenlik gösteren metallerden ve metaloidlerden oluşmaktadır. Niyobyum, vanadyum ve teknetyum haricindeki, saf elemental (alaşım olmayan) süperiletkenler bu kategoriye girmektedir.
| Lead (Pb) | 7.196 K |
| Lanthanum (La) | 4.88 K |
| Tantalum (Ta) | 4.47 K |
| Mercury (Hg) | 4.15 K |
| Tin (Sn) | 3.72 K |
| Indium (In) | 3.41 K |
| Palladium (Pd)* | 3.3 K |
| Chromium (Cr)* | 3 K |
| Thallium (Tl) | 2.38 K |
| Rhenium (Re) | 1.697 K |
| Protactinium (Pa) | 1.40 K |
| Thorium (Th) | 1.38 K |
| Aluminum (Al) | 1.175 K |
| Gallium (Ga) | 1.083 K |
| Molybdenum (Mo) | 0.915 K |
| Zinc (Zn) | 0.85 K |
Tip 1 süperiletkenler, “yumuşak” süperiletkenler olarak adlandırılır. Süperilekten özellik göstermek için mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara ihtiyaç duyarlar. Tip 1 süperiletkenlerin kriktik sıcaklıkları 0 Kelvin ile 7.7 Kelvin arasında değişmektedir.
Yukarıdaki grafikte de görüleceği gibi tip 1 süperiletkenler, süperiletken duruma oldukça keskin şekilde geçmektedir. Grafikte, sıcaklığın azalmasıyla birlikte direncin de logaritmik olarak azaldığı görülmektedir. Ancak elementin kritik sıcaklığına ulaşıldığında, direnç aniden sıfır olur ve süperiletken özellik göstermeye başlar. Kritik sıcaklığın altındaki her sıcaklıkta süperiletken özellik devam edecektir.
Tip 2 Süperiletken
Tip 2 süperiletken kategorisi, metalik bileşiklerden ve alaşımlardan meydana gelen süperiletkenleri içerir. Bu metalik bileşiklerde ve alaşımlarda niyobyum, vanadyum ve teknetyum gibi elementler bulunamaz. Tip 2 süperiletkenler, oda sıcaklığı gibi nispeten yüksek sıcaklıklarda süperiletken özellik gösterebilir. Bu nedenle tip 2 süperiletkenlerin kritik sıcaklıkları, tip 1 süperiletkenlere oranla daha yüksektir.
Tip 2 süperiletkenler, “sert” süperiletkenler olarak adlandırılır. İlk tip 2 süperilekten, 1930 yılında kurşun ve bizmut elementlerinden elde edilen bir alaşımla oluşturulmuştur. 1937 yılında Lev Shubnikov tarafından yapılan çalışmalarda, bazı alaşımlarda iki adet kritik manyetik alan bulunmasıyla birlikte tip 2 süperiletken kategorisi oluşturulmuştur.
Yukarıdaki grafikten de görülebileceği gibi tip 2 süperiletkenlerin süperiletken duruma geçişleri keskin şekilde olmamaktadır. İki adet kritik manyetik alan bulunmasından dolayı, normal durum ile süperiletken durum arasında karma durum adı verilen bir bölge bulunmaktadır.
Süperiletkenlerin Kullanım Alanları
Günümüzde süperiletkenler; sağlık, elektrik, elektronik, ulaşım gibi alanlarda kullanılmaktadır. İnsan vücudundaki doku ve organları görüntüleyerek hastalıkların tespit edilmesine yardımcı olan manyetik rezonans görüntüleme (MRI) sistemlerinde süperiletkenler kullanılmaktadır.
Süperiletkenler manyetik kaldırma gereken uygulamalarda da kullanılmaktadır. Tren gibi raylı taşıma araçlarının, raya temas eden yüzeylerinde sürtünme kuvvetinden dolayı bir kayıp meydana gelmektedir. Sürtünme kuvveti nedeniyle meydana gelen kayıpların önlemek için manyetik kaldırma kullanılır. Yüksek güçlü elektromıknatısların yardımı ile trenin rayla fiziksel teması kesilir. Bu sayede sürtünmeden doğan kayıplar önlenir ve tren daha yüksek hızlara çıkabilir. Ancak geleneksel elektromıknatıs sistemleri çok alan kaplayan ve verimsiz sistemlerdir. Geleneksel elektromıkntasıların yerine süperiletken elektromıknatıslar yerleştirilmesi, kullanılan alanın azalmasını ve verimliliğin artmasını sağlamaktadır. 1997 yılında Japonya’da faaliyete geçen “Yamanashi MagLev Test Hattı” süperiletkenlerin manyetik kaldırma uygulamalarına bir önektir. Nisan 2015’te yapılan bir test sürüşünde, “Yamanashi MLX01 MagLev ”treni saatte 603 kilometrelik bir hıza ulaşmayı başarmıştır.
Halihazırda kullanılan elektrik kablolarının yapısına göre değişiklik gösteren bir direnci bulunmaktadır. Kabloların direnci aktarılan gücün azalmasına, dolayısıyla verimliliğin düşmesine neden olmaktadır. Özellikle yüksek güçlü uygulamalarda, direnç nedenli kayıpları azaltmak için süperiletkenler kullanılmaktadır. Süperiletken kabloların yardımıyla birlikte daha küçük boyutta ancak çok daha güçlü elektrik motorları üretmek de mümkün olabilir.
Süperiletkenlerin kullanılmasıyla birlikte elektrik santrallerinin çevreye verdiği zararlar azaltılabilir. Finlandiyalı fizikçilerin yaptığı araştırmaya göre, Avrupa kıtasındaki elektrik santrallerinde süperiletkenlerin kullanılması halinde, yıllık karbon emisyonunun %8 azalacağı öne sürülmüştür.
Süperiletkenlik Alanındaki Gelişmeler
Süperiletkenlik olayının keşfedilmesinin üzerinden 100 yıldan fazla bir süre geçmiştir. Süperiletken özellik gösteren birçok element ve alaşım bulunmasına rağmen, süperiletkenlik alanındaki uygulamalar yaygınlaşamamıştır.
Yukarıdaki grafikte de görüleceği üzere bu alandaki en büyük uygulamalar sağlık sektöründe gerçekleştirilmektedir. Sağlık sektöründeki süperiletkenlik uygulamaları diğer bütün sektörlerin toplamından fazladır. Ancak ilerleyen yıllarda Ar-Ge alanında da süperiletkenlik uygulamalarının artması beklenmektedir.
