Ο μαγνητισμός γύρω μας - Εφαρμογές

Πώς λειτουργεί το μικρόφωνο;
Ενώ υπάρχουν πολλοί τρόποι για να μετατρέψετε τον ήχο σε ηλεκτρική ενέργεια, θα επικεντρωθούμε στις δύο πιο δημοφιλείς μεθόδους: τη δυναμική και τον συμπυκνωτή. Αυτοί είναι οι τύποι μικροφώνων που απαντώνται συχνότερα σε στούντιο ηχογράφησης, εκπομπές, παραγωγή κινηματογραφικών βίντεο και σε σκηνές για ζωντανή ενίσχυση του ήχου.

Γιατί η επιλογή μικροφώνου είναι σημαντική;
Το μικρόφωνο βρίσκεται, από τη φύση του, στην αρχή των περισσότερων συστημάτων ήχου και εφαρμογών εγγραφής. Εάν το μικρόφωνο δεν μπορεί να καταγράψει τον ήχο καθαρά και με ακρίβεια και με χαμηλό θόρυβο, ακόμη και τα καλύτερα ηλεκτρονικά και ηχεία που ακολουθούν δεν θα παράγουν τον βέλτιστο ήχο. Είναι λοιπόν σημαντικό να επενδύσουμε σε καλά μικρόφωνα, για να μεγιστοποιήσουμε τις δυνατότητες απόδοσης του ηχοσυστήματος.

Δυναμικά μικρόφωνα

Η σύγκριση των μικροφώνων με τα μεγάφωνα μπορεί να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τη λειτουργία τους. Τα δυναμικά μικρόφωνα είναι παρόμοια με τα συμβατικά μεγάφωνα από πολλές απόψεις. Και οι δύο έχουν ένα διάφραγμα (ή κώνο) με ένα πηνίο φωνής (ένα μακρύ πηνίο σύρματος) προσαρτημένο κοντά στην κορυφή. Και τα δύο έχουν μαγνητικό σύστημα με το πηνίο στο κενό του. Η διαφορά είναι στον τρόπο χρήσης τους.

Με ένα ηχείο, το ρεύμα από τον ενισχυτή ρέει μέσω του πηνίου. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το ρεύμα που ρέει μέσω του πηνίου φωνής αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο του μαγνήτη του ηχείου, αναγκάζοντας το πηνίο και τον προσαρτημένο κώνο να κινούνται μπρος -πίσω, παράγοντας έξοδο ήχου.

Ένα δυναμικό μικρόφωνο λειτουργεί σαν αντίστροφο ηχείο. Το διάφραγμα μετακινείται με την αλλαγή της ηχητικής πίεσης. Αυτό κινεί το πηνίο, το οποίο προκαλεί τη ροή ρεύματος καθώς κόβονται γραμμές ροής από τον μαγνήτη. Έτσι, αντί να βάζετε ηλεκτρική ενέργεια στο πηνίο (όπως σε ένα ηχείο) παίρνετε ενέργεια από αυτό. Στην πραγματικότητα, πολλά συστήματα ενδοεπικοινωνίας χρησιμοποιούν μικρά ηχεία με ελαφρούς κώνους τόσο ως ηχείο όσο και ως μικρόφωνο, αλλάζοντας απλά τον ίδιο μετατροπέα από τη μία άκρη του ενισχυτή στο άλλο! Ένα ηχείο δεν κάνει υπέροχο μικρόφωνο, αλλά είναι αρκετά καλό για αυτήν την εφαρμογή.

Τα δυναμικά μικρόφωνα φημίζονται για την στιβαρότητα και την αξιοπιστία τους. Δεν χρειάζονται μπαταρίες ή εξωτερικά τροφοδοτικά. Είναι ικανά για ομαλή, εκτεταμένη απόκριση ή διατίθενται με "προσαρμοσμένη" απόκριση για ειδικές εφαρμογές. Το επίπεδο εξόδου είναι αρκετά υψηλό για να λειτουργεί απευθείας στις περισσότερες εισόδους μικροφώνου με εξαιρετική αναλογία σήματος προς θόρυβο. Χρειάζονται ελάχιστη ή καθόλου τακτική συντήρηση και με λογική φροντίδα θα διατηρήσουν την απόδοσή τους για πολλά χρόνια.

Μικρόφωνα Συμπυκνωτή

Τα μικρόφωνα συμπυκνωτή (ή πυκνωτή) χρησιμοποιούν μια ελαφριά μεμβράνη και μια σταθερή πλάκα που λειτουργούν όπως οι αντίθετες πλευρές ενός πυκνωτή. Η ηχητική πίεση σε αυτό το λεπτό φιλμ πολυμερούς το κάνει να κινείται. Αυτή η κίνηση αλλάζει την χωρητικότητα του κυκλώματος, δημιουργώντας μια μεταβαλλόμενη ηλεκτρική έξοδο. (Από πολλές απόψεις ένα μικρόφωνο συμπυκνωτή λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως ένα ηλεκτροστατικό tweeter, αν και σε πολύ μικρότερη κλίμακα και "αντίστροφα").

Τα μικρόφωνα συμπυκνωτή προτιμώνται για την πολύ ομοιόμορφη απόκριση συχνότητας και την ικανότητά τους να ανταποκρίνονται με ευκρίνεια σε παροδικούς ήχους. Η χαμηλή μάζα του διαφράγματος επιτρέπει εκτεταμένη απόκριση υψηλής συχνότητας, ενώ η φύση του σχεδιασμού εξασφαλίζει επίσης εξαιρετική παραλαβή χαμηλής συχνότητας. Ο ήχος που προκύπτει είναι φυσικός, καθαρός και σαφής, με εξαιρετική διαφάνεια και λεπτομέρεια.

Δύο βασικοί τύποι μικροφώνων συμπυκνωτή είναι προς το παρόν διαθέσιμοι. Το ένα χρησιμοποιεί εξωτερική τροφοδοσία για να παρέχει την τάση πόλωσης που απαιτείται για το χωρητικό κύκλωμα. Αυτά τα εξωτερικά πολωμένα μικρόφωνα προορίζονται κυρίως για επαγγελματική χρήση στούντιο ή άλλες εξαιρετικά κρίσιμες εφαρμογές.

Μια πιο πρόσφατη εξέλιξη είναι το μικρόφωνο συμπυκνωτή electret. Σε αυτά τα μοντέλα, η τάση πόλωσης αποτυπώνεται είτε στο διάφραγμα είτε στην πίσω πλάκα κατά τη διαδικασία κατασκευής και αυτή η φόρτιση παραμένει για όλη τη διάρκεια ζωής του μικροφώνου.

Άλλοι τύποι μικροφώνων
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για τη μετάφραση του ήχου σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι κόκκοι άνθρακα χρησιμοποιούνται ως στοιχεία σε τηλέφωνα και μικρόφωνα επικοινωνιών. Και ορισμένα μικρόφωνα χαμηλού κόστους χρησιμοποιούν κρυστάλλινα ή κεραμικά στοιχεία που είναι γενικά, κατάλληλα για την ομιλία, αλλά δεν λαμβάνονται σοβαρά υπόψη για μουσική ή κριτική αναπαραγωγή ήχου.

Ιστορία
Το μεγαλύτερο μέρος της ανάπτυξης επιταχυντών σωματιδίων έχει ως κίνητρο την έρευνα σχετικά με τις ιδιότητες των ατομικών πυρήνων και των υποατομικών σωματιδίων. Ξεκινώντας με την ανακάλυψη του Βρετανού φυσικού Ernest Rutherford το 1919 μιας αντίδρασης μεταξύ ενός πυρήνα αζώτου και ενός σωματιδίου άλφα, όλες οι έρευνες στην πυρηνική φυσική μέχρι το 1932 πραγματοποιήθηκαν με σωματίδια άλφα που απελευθερώθηκαν από τη διάσπαση των φυσικά ραδιενεργών στοιχείων. Τα φυσικά σωματίδια άλφα έχουν κινητική ενέργεια έως 8 MeV, αλλά ο Rutherford πίστευε ότι, για να παρατηρηθεί η διάσπαση των βαρύτερων πυρήνων από σωματίδια άλφα, θα ήταν απαραίτητο να επιταχυνθούν τεχνητά τα ιόντα σωματιδίων άλφα σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες. Εκείνη την εποχή φαινόταν μικρή η ελπίδα για παραγωγή εργαστηριακών τάσεων επαρκών για την επιτάχυνση των ιόντων στις επιθυμητές ενέργειες. Ωστόσο, ένας υπολογισμός που έγινε το 1928 από τον George Gamow (τότε στο Πανεπιστήμιο του Göttingen, Ger.) έδειξε ότι σημαντικά λιγότερο ενεργητικά ιόντα θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα, και αυτό υποκίνησε τις προσπάθειες κατασκευής ενός επιταχυντή που θα μπορούσε να παρέχει μια δέσμη σωματιδίων κατάλληλων για πυρηνική έρευνα.

Άλλες εξελίξεις εκείνης της περιόδου κατέδειξαν αρχές που εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό επιταχυντών σωματιδίων. Τα πρώτα επιτυχημένα πειράματα με τεχνητά επιταχυνόμενα ιόντα πραγματοποιήθηκαν στην Αγγλία στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ από τον John Douglas Cockcroft και το ETS Walton το 1932. Χρησιμοποιώντας έναν πολλαπλασιαστή τάσης, επιτάχυναν τα πρωτόνια σε ενέργειες έως 710 keV και έδειξαν ότι αυτά αντιδρούν με τον πυρήνα λιθίου για να παράγουν δύο ενεργητικά σωματίδια άλφα. Μέχρι το 1931, στο Πανεπιστήμιο του Princeton στο New Jersey, ο Robert J. Van de Graaff είχε κατασκευάσει την πρώτη ηλεκτροστατική γεννήτρια υψηλής τάσης με ιμάντα. Οι πολλαπλασιαστές τάσης τύπου Cockcroft-Walton και οι γεννήτριες Van de Graaff εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ως πηγές ενέργειας για επιταχυντές.

Η αρχή του γραμμικού επιταχυντή συντονισμού αποδείχθηκε από τον Rolf Wideröe το 1928. Στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο Rhenish-Westphalian στο Aachen, Ger., Ο Wideröe χρησιμοποίησε εναλλασσόμενη υψηλή τάση για να επιταχύνει τα ιόντα νατρίου και καλίου σε ενέργειες διπλάσιες από εκείνες που μεταδίδονται από ένα εφαρμογή της τάσης αιχμής. Το 1931 στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο Ernest O. Lawrence και ο βοηθός του David H. Sloan, στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ, χρησιμοποίησαν πεδία υψηλής συχνότητας για να επιταχύνουν τα ιόντα υδραργύρου σε περισσότερο από 1,2 MeV. Αυτό το έργο αύξησε το επίτευγμα του Wideröe στην επιτάχυνση των βαρέων ιόντων, αλλά οι δέσμες ιόντων δεν ήταν χρήσιμες στην πυρηνική έρευνα.

Ο επιταχυντής μαγνητικού συντονισμού, ή κυκλοτρόνιο, σχεδιάστηκε από τον Lawrence ως τροποποίηση του επιταχυντή γραμμικού συντονισμού του Wideröe. Ο φοιτητής του Lawrence M.S. Livingston απέδειξε την αρχή του κυκλοτρονίου το 1931, παράγοντας ιόντα 80-keV. Το 1932 οι Lawrence και Livingston ανακοίνωσαν την επιτάχυνση των πρωτονίων σε περισσότερα από 1 MeV. Αργότερα στη δεκαετία του 1930, οι ενέργειες κυκλοτρόνιου έφτασαν περίπου τα 25 MeV και οι γεννήτριες Van de Graaff περίπου 4 MeV. Το 1940, ο Donald W. Kerst, εφαρμόζοντας τα αποτελέσματα των προσεκτικών υπολογισμών τροχιάς στο σχεδιασμό των μαγνητών, κατασκεύασε το πρώτο betatron, έναν επιταχυντή ηλεκτρονίων μαγνητικής επαγωγής, στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις.

Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο υπήρξε μια γρήγορη πρόοδος στην επιστήμη της επιτάχυνσης των σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες. Η πρόοδος ξεκίνησε από τον Edwin Mattison McMillan στο Berkeley και από τον Vladimir Iosifovich Veksler στη Μόσχα. Το 1945 και οι δύο άνδρες περιέγραψαν ανεξάρτητα την αρχή της σταθερότητας φάσης. Αυτή η ιδέα πρότεινε ένα μέσο διατήρησης σταθερών τροχιών σωματιδίων στον κυκλικό επιταχυντή και έτσι αφαίρεσε έναν εμφανή περιορισμό στην ενέργεια των επιταχυντών συντονισμού για τα πρωτόνια και κατέστησε δυνατή την κατασκευή επιταχυντών μαγνητικού συντονισμού (που ονομάζονται synchrotrons) για ηλεκτρόνια. Η εστίαση φάσης, η εφαρμογή της αρχής της σταθερότητας φάσης, αποδείχθηκε αμέσως με την κατασκευή ενός μικρού συγχροκυκλοτρόνου στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας και ενός συγχρότρονου ηλεκτρονίων στην Αγγλία. Ο πρώτος γραμμικός επιταχυντής πρωτονίων κατασκευάστηκε αμέσως, στη συνέχεια. Τα μεγάλα σύγχρονα πρωτόνια που έχουν κατασκευαστεί έκτοτε εξαρτώνται από αυτήν την αρχή.

Το 1947 ο William W. Hansen, στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στην Καλιφόρνια, κατασκεύασε τον πρώτο γραμμικό επιταχυντή ηλεκτρονίων, αξιοποιώντας την τεχνολογία μικροκυμάτων που είχε αναπτυχθεί για ραντάρ κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου.

Η πρόοδος στην έρευνα που κατέστη δυνατή με την αύξηση των ενεργειών των πρωτονίων οδήγησε στη δημιουργία διαδοχικά μεγαλύτερων επιταχυντών. Η τάση τερματίστηκε μόνο με το κόστος κατασκευής των απαιτούμενων τεράστιων δακτυλίων μαγνήτη - το μεγαλύτερο ζυγίζει περίπου 40.000 τόνους. Ένα μέσο αύξησης της ενέργειας χωρίς αύξηση της κλίμακας των μηχανών παρέχεται από μια επίδειξη το 1952, από τους Livingston, Ernest D. Courant και HS Snyder, της τεχνικής της εστίασης εναλλασσόμενης κλίσης (μερικές φορές ονομάζεται ισχυρή εστίαση). Τα synchrotrons που ενσωματώνουν αυτήν την αρχή χρειάζονταν μαγνήτες μόνο 1/100 του μεγέθους που θα απαιτούνταν διαφορετικά. Όλα τα πρόσφατα κατασκευασμένα synchrotrons χρησιμοποιούν εστίαση εναλλασσόμενης κλίσης.

Το 1956 ο Kerst συνειδητοποίησε ότι, εάν μπορούσαν να διατηρηθούν δύο σύνολα σωματιδίων σε διασταυρούμενες τροχιές, θα πρέπει να είναι δυνατή η παρατήρηση αλληλεπιδράσεων στις οποίες ένα σωματίδιο συγκρούεται με ένα άλλο κινούμενο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η εφαρμογή αυτής της ιδέας απαιτεί τη συσσώρευση επιταχυνόμενων σωματιδίων σε βρόχους που ονομάζονται δακτύλιοι αποθήκευσης. Οι υψηλότερες ενεργειακές αντιδράσεις που μπορούν να αποκτηθούν έχουν παραχθεί με τη χρήση αυτής της τεχνικής.

Αρχές Επιτάχυνσης Σωματιδίων
Οι επιταχυντές σωματιδίων υπάρχουν σε πολλά σχήματα και μεγέθη (ακόμη και ο πανταχού παρών σωλήνας εικόνας της τηλεόρασης είναι καταρχήν επιταχυντής σωματιδίων), αλλά οι μικρότεροι επιταχυντές έχουν κοινά στοιχεία με τις μεγαλύτερες συσκευές. Πρώτον, όλοι οι επιταχυντές πρέπει να έχουν μια πηγή που παράγει ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια - ηλεκτρόνια στην περίπτωση του τηλεοπτικού σωλήνα και ηλεκτρόνια, πρωτόνια και τα αντισωματίδια τους στην περίπτωση μεγαλύτερων επιταχυντών. Όλοι οι επιταχυντές πρέπει να έχουν ηλεκτρικά πεδία για να επιταχύνουν τα σωματίδια και πρέπει να έχουν μαγνητικά πεδία για τον έλεγχο των διαδρομών των σωματιδίων. Επίσης, τα σωματίδια πρέπει να ταξιδεύουν μέσα από ένα καλό κενό - δηλαδή, σε ένα δοχείο με όσο το δυνατόν λιγότερο υπολειπόμενο αέρα, όπως σε έναν τηλεοπτικό σωλήνα. Τέλος, όλοι οι επιταχυντές πρέπει να διαθέτουν κάποια μέσα ανίχνευσης και μέτρησης των σωματιδίων αφού επιταχυνθούν μέσω του κενού.

Δημιουργία σωματιδίων
Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, τα σωματίδια που χρησιμοποιούνται συχνότερα στους επιταχυντές, βρίσκονται σε όλα τα υλικά, αλλά για έναν επιταχυντή πρέπει να διαχωριστούν τα κατάλληλα σωματίδια. Τα ηλεκτρόνια παράγονται συνήθως με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως σε έναν τηλεοπτικό σωλήνα, σε μια συσκευή γνωστή ως ηλεκτρονικό «πιστόλι». Το πιστόλι περιέχει μια κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) σε κενό, η οποία θερμαίνεται έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να απομακρύνονται από τα άτομα στο υλικό της καθόδου. Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι αρνητικά φορτισμένα, έλκονται προς μια άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο), όπου περνούν μέσα από μια τρύπα. Το ίδιο το όπλο είναι στην πραγματικότητα ένας απλός επιταχυντής, επειδή τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Η τάση μεταξύ της καθόδου και της ανόδου σε ένα ηλεκτρονικό πιστόλι είναι συνήθως 50.000-150.000 βολτ ή 50-150 κιλοβόλτ (kV).

Όπως και με τα ηλεκτρόνια, υπάρχουν πρωτόνια σε όλα τα υλικά, αλλά μόνο οι πυρήνες των ατόμων υδρογόνου αποτελούνται από απλά πρωτόνια, έτσι το αέριο υδρογόνο είναι η πηγή σωματιδίων για επιταχυντές πρωτονίων. Σε αυτή την περίπτωση το αέριο ιονίζεται - τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια διαχωρίζονται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο - και τα πρωτόνια διαφεύγουν μέσα από μια τρύπα. Σε μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων υψηλής ενέργειας, τα πρωτόνια συχνά παράγονται αρχικά με τη μορφή αρνητικών ιόντων υδρογόνου. Πρόκειται για άτομα υδρογόνου με ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο, τα οποία σχηματίζονται επίσης όταν το αέριο, αρχικά με τη μορφή μορίων δύο ατόμων, ιονίζεται. Τα αρνητικά ιόντα υδρογόνου αποδεικνύονται ευκολότερα στο χειρισμό στα αρχικά στάδια μεγάλων επιταχυντών. Αργότερα περνούν μέσα από λεπτά φύλλα για να αφαιρέσουν τα ηλεκτρόνια πριν τα πρωτόνια μετακινηθούν στο τελικό στάδιο της επιτάχυνσης.

Πώς λειτουργεί το σωληνοειδές;
Ένα σωληνοειδές είναι ένα πηνίο σύρματος σε σχήμα τιρμπουσόν τυλιγμένο γύρω από ένα έμβολο, συχνά κατασκευασμένο από σίδηρο. Όπως σε όλους τους ηλεκτρομαγνήτες, ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το σύρμα. Οι ηλεκτρομαγνήτες έχουν ένα πλεονέκτημα έναντι των μόνιμων μαγνητών στο ότι μπορούν να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν με την εφαρμογή ή την αφαίρεση του ηλεκτρικού ρεύματος, κάτι που τους καθιστά χρήσιμους ως διακόπτες και βαλβίδες και τους επιτρέπει να είναι πλήρως αυτοματοποιημένοι.

Όπως όλοι οι μαγνήτες, έτσι και το μαγνητικό πεδίο ενός ενεργοποιημένου σωληνοειδούς έχει θετικούς και αρνητικούς πόλους που θα προσελκύσουν ή θα απωθήσουν το υλικό που είναι ευαίσθητο στους μαγνήτες. Σε ένα σωληνοειδές, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο προκαλεί το έμβολο είτε προς τα πίσω είτε προς τα εμπρός, έτσι δημιουργείται η κίνηση από ένα σωληνοειδές πηνίο.
Σε μια βαλβίδα άμεσης δράσης, το ηλεκτρικό ρεύμα ενεργοποιεί το σωληνοειδές, το οποίο με τη σειρά του τραβά ένα έμβολο ή έμβολο που διαφορετικά θα εμπόδιζε τη ροή αέρα ή υγρού. Σε ορισμένα σωληνοειδή, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δεν δρα άμεσα για να ανοίξει τον αγωγό. Σε βαλβίδες που λειτουργούν πιλοτικά, ένα σωληνοειδές μετακινεί το έμβολο, το οποίο δημιουργεί ένα μικρό άνοιγμα και η πίεση μέσω του ανοίγματος είναι αυτή που θέτει σε λειτουργία τη στεγανοποίηση της βαλβίδας. Και στους δύο τύπους, τα σωληνοειδή απαιτούν μια σταθερή ροή ηλεκτρικού ρεύματος για να παραμείνουν ανοιχτές, διότι μόλις σταματήσει το ρεύμα, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο διασκορπίζεται και η βαλβίδα επιστρέφει στην αρχική κλειστή θέση.

Ηλεκτρικό σωληνοειδές.

Σε ένα σύστημα ανάφλεξης αυτοκινήτου, το σωληνοειδές εκκίνησης λειτουργεί ως ρελέ, φέρνοντας τις μεταλλικές επαφές στη θέση τους για να κλείσει ένα κύκλωμα. Το σωληνοειδές εκκίνησης δέχεται ένα μικρό ηλεκτρικό ρεύμα όταν ενεργοποιείται η ανάφλεξη του αυτοκινήτου, συνήθως με το γύρισμα του κλειδιού. Το μαγνητικό πεδίο του σωληνοειδούς τραβάει τις επαφές, κλείνοντας το κύκλωμα μεταξύ της μπαταρίας του αυτοκινήτου και του κινητήρα εκκίνησης. Το σωληνοειδές εκκίνησης απαιτεί συνεχή ροή ηλεκτρικής ενέργειας για τη διατήρηση του κυκλώματος, αλλά επειδή ο κινητήρας αυτο-τροφοδοτείται μόλις ξεκινήσει, το σωληνοειδές είναι ανενεργό για το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου.

Χρήσεις για τα σωληνοειδή.

Τα σωληνοειδή είναι απίστευτα ευπροσάρμοστα και εξαιρετικά χρήσιμα. Βρίσκονται σε όλα, από αυτοματοποιημένο εργοστασιακό εξοπλισμό έως όπλα paintball, ακόμη και κουδούνια. Σε ένα κουδούνι πόρτας, το ηχητικό σήμα παράγεται όταν ένα μεταλλικό έμβολο χτυπά μια μπάρα τόνου. Η δύναμη που κινεί το έμβολο είναι το μαγνητικό πεδίο ενός σωληνοειδούς που δέχεται ηλεκτρικό ρεύμα όταν πιέζεται το κουδούνι της πόρτας.

Τύποι υπεραγωγών

Οι υπεραγωγοί τύπου Ι λειτουργούν ως αγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά όταν ψύχονται κάτω από το Tc, η μοριακή κίνηση μέσα στο υλικό μειώνεται αρκετά ώστε η ροή του ρεύματος να μπορεί να επιτυγχάνεται χωρίς εμπόδια.
Οι υπεραγωγοί τύπου 2 δεν είναι ιδιαίτερα καλοί αγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου και η μετάβαση σε κατάσταση υπεραγωγών είναι πιο σταδιακή από τους υπεραγωγούς τύπου 1. Ο μηχανισμός και η φυσική βάση για αυτήν την αλλαγή της κατάστασης δεν είναι προς το παρόν πλήρως κατανοητή. Οι υπεραγωγοί τύπου 2 είναι συνήθως μεταλλικές ενώσεις και κράματα.

Η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας

Η υπεραγωγιμότητα ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1911 όταν ο υδράργυρος ψύχθηκε σε περίπου 4 βαθμούς Κέλβιν από τον Ολλανδό φυσικό Heike Kamerlingh Onnes, που του χάρισε το Νόμπελ Φυσικής το 1913. Στα χρόνια που πέρασαν, αυτός ο τομέας επεκτάθηκε πολύ και ανακαλύφθηκαν πολλές άλλες μορφές υπεραγωγών, συμπεριλαμβανομένων των υπεραγωγών τύπου 2 στη δεκαετία του 1930.
Η βασική θεωρία της υπεραγωγιμότητας, η θεωρία BCS, χάρισε στους επιστήμονες - John Bardeen, Leon Cooper και John Schrieffer - το Νόμπελ Φυσικής του 1972. Ένα μέρος του Νόμπελ Φυσικής του 1973 πήγε στον Brian Josephson, επίσης για εργασία σχετική με την υπεραγωγιμότητα.

Τον Ιανουάριο του 1986, ο Karl Muller και ο Johannes Bednorz έκαναν μια ανακάλυψη που έφερε επανάσταση στον τρόπο σκέψης των επιστημόνων για τους υπεραγωγούς. Πριν από αυτό το σημείο, η κατανόηση ήταν ότι η υπεραγωγιμότητα εκδηλώνεται μόνο όταν ψύχεται στο απόλυτο μηδέν, αλλά χρησιμοποιώντας ένα οξείδιο του βαρίου, λανθανίου και χαλκού, διαπίστωσαν ότι έγινε υπεραγωγός σε περίπου 40 βαθμούς Κέλβιν. Αυτό ξεκίνησε έναν αγώνα για την ανακάλυψη υλικών που λειτουργούσαν ως υπεραγωγοί σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες.

Στις δεκαετίες από τότε, οι υψηλότερες θερμοκρασίες που είχαν επιτευχθεί ήταν περίπου 133 βαθμοί Kelvin (αν και θα μπορούσατε να φτάσετε έως και 164 βαθμούς Kelvin εάν εφαρμόζετε υψηλή πίεση). Τον Αύγουστο του 2015, ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature ανέφερε την ανακάλυψη υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασία 203 βαθμών Kelvin όταν ήταν υπό υψηλή πίεση.

Εφαρμογές υπεραγωγών

Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές, αλλά κυρίως μέσα στη δομή του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Οι σήραγγες που περιέχουν τις δέσμες φορτισμένων σωματιδίων περιβάλλονται από σωλήνες που περιέχουν ισχυρούς υπεραγωγούς. Τα υπερρεύματα που ρέουν μέσω των υπεραγωγών δημιουργούν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιταχύνει και να κατευθύνει την ομάδα όπως επιθυμούμε.

Επιπλέον, οι υπεραγωγοί εμφανίζουν το φαινόμενο Meissner στο οποίο ακυρώνουν κάθε μαγνητική ροή μέσα στο υλικό, καθιστώντας το υλικό, απόλυτα διαμαγνητικό (ανακαλύφθηκε το 1933). Σε αυτή την περίπτωση, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου ταξιδεύουν στην πραγματικότητα γύρω από τον ψυχόμενο υπεραγωγό. Είναι αυτή η ιδιότητα των υπεραγωγών που χρησιμοποιείται συχνά σε πειράματα μαγνητικής διέγερσης, όπως το κβαντικό κλείδωμα που παρατηρείται στην κβαντική διέγερση.  Με άλλα λόγια, αν το στυλ "Επιστροφή στο μέλλον" γίνει πραγματικότητα. Σε μια λιγότερο κοσμική εφαρμογή, οι υπεραγωγοί διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στις σύγχρονες εξελίξεις στα τρένα μαγνητικής αιώρησης, τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα για δημόσιες συγκοινωνίες υψηλής ταχύτητας που βασίζονται στην ηλεκτρική ενέργεια (η οποία μπορεί να παραχθεί με ανανεώσιμη ενέργεια) σε αντίθεση με τις επιλογές μη ανανεώσιμου ρεύματος όπως αεροπλάνα, αυτοκίνητα και τρένα με κάρβουνο.

Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί μεταξύ ξεχωριστών πηνίων χωρίς μεταλλική (αγώγιμη) σύνδεση μεταξύ των δύο κυκλωμάτων. Ο νόμος επαγωγής του Faraday, που ανακαλύφθηκε το 1831, περιγράφει το επαγόμενο φαινόμενο τάσης σε οποιοδήποτε πηνίο λόγω μεταβαλλόμενης μαγνητικής ροής που περικυκλώνεται από το πηνίο. Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται συχνότερα για την αύξηση χαμηλών τάσεων εναλλασσόμενου ρεύματος σε υψηλό ρεύμα (επιταχυνόμενος μετασχηματιστής) ή μείωση υψηλών τάσεων εναλλασσόμενου ρεύματος σε χαμηλό ρεύμα (μετασχηματιστής πτώσης προς τα κάτω) σε εφαρμογές ηλεκτρικής ενέργειας και για τη σύζευξη των σταδίων κυκλωμάτων επεξεργασίας σήματος. Οι μετασχηματιστές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για απομόνωση, όπου η τάση είναι ίση με την τάση εξόδου, με τα ξεχωριστά πηνία να μην συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους. Από την εφεύρεση του πρώτου μετασχηματιστή σταθερού δυναμικού το 1885, οι μετασχηματιστές έγιναν απαραίτητοι για τη μετάδοση, τη διανομή, και αξιοποίηση της ηλεκτρικής ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος. Ένα ευρύ φάσμα σχεδίων μετασχηματιστών συναντάται σε εφαρμογές ηλεκτρονικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Το μέγεθος των μετασχηματιστών κυμαίνεται από μετασχηματιστές RF μικρότερο από ένα κυβικό εκατοστό σε όγκο, έως μονάδες βάρους εκατοντάδων τόνων που χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας.