Günlük hayatta kullandığımız pek çok metal veya alaşım, elektrik akımına karşı belli bir direnç gösterir. Malzemenin bu elektriksel direnci nedeniyle, üzerinden akım geçtiğinde bir miktar enerji ısı şeklinde kaybolur. Ancak bazı özel maddeler, yeterince düşük bir sıcaklık değerinin altına indiğinde elektrik akımına karşı hiç direnç göstermeyebilir. İşte bu olaya süper iletkenlik diyoruz.
Süper iletkenliği gözlemlediğimiz o kritik sıcaklığa kritik sıcaklık (Tc) adı verilir. Normal iletkenlerde sıcaklık düşse bile her zaman az da olsa bir direnç kalır, ancak süper iletkenlerde direnç tamamen sıfıra inebilir. Formülle ifade edersek, süper iletken bir malzemede ’dır. Ohm Yasası’na göre , dolayısıyla direnç sıfır olduğunda gerilim farkı da sıfırlanır.
Süper İletkenlerin Tarihsel Gelişimi
1911 yılında Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes, çok düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 4,2 K) cıva üzerinde akım geçirerek ölçüm yaptı ve akıl almaz bir keşif gerçekleştirdi: Cıvanın elektriksel direnci sıfıra düşmüştü. Bu büyük buluş, Onnes’e Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı. Daha sonra 1933 yılında Walter Meissner ve Robert Ochsenfeld tarafından, süper iletken malzemelerin içinden manyetik alanın dışlandığı “Meissner etkisi” gözlemlendi. Bu, süper iletkenlerin yalnızca dirençsiz iletkenler değil, aynı zamanda manyetik alanları da değişik şekilde etkileyebildiğini gösteriyordu.
1972 yılında ise John Bardeen (Con Berdin), Leon Cooper (Lin Kupir) ve John Schrieffer (Con Şirifer), elektron çiftleri (Cooper çiftleri) kuramı ile süper iletkenliği açıklayan teori üzerinde çalıştılar ve bu sayede Nobel Fizik Ödülü’nü aldılar. BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer) Teorisi olarak bilinen bu yaklaşım, süper iletkenlik özelliğinin elektron çiftlerinden kaynaklandığını ortaya koydu.
Süper İletkenlerin Temel Özellikleri
- Dirençsiz İletim: Belirli bir kritik sıcaklık altına inildiğinde, malzemenin direnci sıfırlanır ().
- Meissner Etkisi: Süper iletken malzeme kendi içinden dış manyetik alanı adeta dışlayarak alan çizgilerini yeniden düzenler.
- Elektron Çiftleri (Cooper Çiftleri): BCS Teorisi’ne göre, elektronlar çiftler hâlinde hareket eder ve bu eşleşme malzemenin dirençsiz hâle gelmesini sağlar.
- Kritik Akım ve Kritik Alan: Malzeme, belli bir değerden yüksek akım veya manyetik alana maruz kalırsa süper iletkenliğini kaybedebilir.
Süper İletkenlerin Teknolojideki Kullanım Alanları
MAGLEV Treni
Süper iletkenlik teknolojisi, yüksek hızlı toplu taşıma alanında “MAGLEV” adı verilen manyetik raylı trenlerde kullanılır. MAGLEV trenlerinin çalışma prensibi üç döngüye dayanır:
- Manyetik kuvvet yardımıyla tren, raydan yaklaşık 12,7 cm yukarı kaldırılır (levitasyon).
- Tren, yatay doğrultuda yan manyetik kuvvetlerle dengelenir ve ray üzerinde sabitlenir.
- İleriye doğru itici manyetik alan sayesinde hızlı ve sürtünmesiz bir şekilde hareket ettirilir.
Bu sistemde tren havada “yüzer” hâlde ilerlediği için sürtünme kayıpları son derece düşüktür. Sonuçta çok yüksek hızlara erişmek mümkündür. Örneğin, 2004 yılında Şangay’da hizmete giren MAGLEV treni bu teknolojiyi kullanarak yolcu taşımaktadır.
Parçacık Hızlandırıcılar
Parçacık hızlandırıcılar, yüklü parçacık demetlerini elektrik alanı yardımıyla çok yüksek hızlara çıkaran gelişmiş sistemlerdir. Süper iletken mıknatıslar ve süper iletken kablolar, bu hızlandırıcılarda yüksek manyetik alanlar oluşturmak için kullanılır. Böylece parçacıklar çok yüksek enerjilerde birbiriyle çarpıştırılır ve elde edilen veriler modern fiziğin pek çok alanında işimize yarar:
- Parçacık Fiziği ve Nükleer Fizik: Maddenin yapıtaşlarını inceler.
- Tıp: Manyetik Rezonans (MR), radyoterapi araştırmaları gibi alanlarda faydalanılır.
- Endüstri: Yarı iletken teknolojisi, sterilizasyon, biyoteknoloji uygulamaları vb.
Dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) bünyesindeki Large Hadron Collider (LHC) adlı hızlandırıcıdır. 10 Eylül 2008’de çalışmaya başlayan bu sistemde de süper iletken mıknatıslar kullanılır. Buradaki temel amaç, proton gibi parçacıkları çok yüksek hızlarda çarpıştırarak evrenin temel sırlarını araştırmaktır.
Süper İletkenlerin Avantajları ve Dezavantajları
- Avantajları: Sıfır direnç sayesinde enerji kaybı azalır, yüksek manyetik alanlar kolayca üretilebilir. Böylelikle daha verimli ve güçlü elektromıknatıslar elde edilir.
- Dezavantajları: Süper iletkenlik, ancak çok düşük sıcaklıklarda veya ileri malzeme teknolojisi ile mümkün olabildiğinden maliyetli bir yöntem olabilir.
