Bahan superkonduktor

Jenis-Jenis Bahan Superkonduktor

Bahan superkonduktor adalah konduktor listrik dengan resistansi nol, yang memungkinkan aliran muatan listrik secara bebas. Fenomena ini terjadi ketika material tertentu didinginkan hingga suhu rendah mendekati nol absolut. Superkonduktor digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti menciptakan magnet kuat yang digunakan dalam mesin MRI dan kereta maglev, yang melayang di atas rel dan meluncur dengan kecepatan tinggi. Superkonduktor juga digunakan dalam akselerator partikel untuk membantu para ilmuwan mempelajari partikel terkecil di alam semesta.

Superkonduktor dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis utama, superkonduktor konvensional atau suhu rendah dan superkonduktor suhu tinggi.

• Superkonduktor Konvensional atau Suhu Rendah: Bahan-bahan ini meliputi logam dan paduan seperti timbal, merkuri, niobium, timah, dan vanadium. Mereka menjadi superkonduktor ketika didinginkan hingga suhu rendah mendekati nol absolut. Suhu transisi bervariasi dari satu material ke material lainnya. Misalnya, superkonduktor niobium-titanium (NbTi) menjadi superkonduktor pada sekitar 10 Kelvin (K) atau -263 derajat Celcius (°C). Superkonduktivitas diinduksi dalam material dengan suhu kritis rendah. Material harus didinginkan hingga keadaan superkonduktor, yang secara praktis dilakukan menggunakan helium cair. Material tersebut menjadi superkonduktor dan mengeluarkan medan magnet, memungkinkan garis medan magnet untuk melewatinya. Ini disebut sebagai Superkonduktor Tipe I.
• Superkonduktor Suhu Tinggi: Ini adalah material keramik seperti lanthanum barium tembaga oksida dan yttrium barium tembaga oksida. Mereka menjadi superkonduktor pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada nol absolut. Mereka disebut superkonduktor suhu tinggi karena dapat didinginkan dengan nitrogen cair, yang lebih murah dan lebih mudah ditangani daripada helium cair. Superkonduktor suhu tinggi dapat dibagi menjadi Superkonduktor Tipe II. Mereka memungkinkan medan magnet untuk menembus melalui daerah tertentu, membentuk pusaran, dan mempertahankan resistansi nol pada suhu yang lebih tinggi.

Superkonduktor juga diklasifikasikan berdasarkan kekuatan medan magnet kritisnya. Mereka meliputi:

• Superkonduktor Tipe I: Ini memiliki satu medan magnet kritis. Mereka menunjukkan diamagnetisme sempurna di bawah medan magnet kritis. Contohnya adalah timbal.
• Superkonduktor Tipe II: Ini adalah material seperti nikel, niobium, dan tembaga oksida. Mereka memiliki dua medan magnet kritis dan menunjukkan keadaan campuran superkonduktivitas dan magnetisme. Ketika medan magnet di atas medan kritis pertama, mereka memasuki keadaan campuran dan memungkinkan beberapa fluks magnet untuk menembus sambil mempertahankan superkonduktivitas.

Fungsi dan Fitur Bahan Superkonduktor

Aplikasi material superkonduktor memanfaatkan resistansi listrik nol dan pengeluaran medan magnet. Fitur superkonduktor meliputi:

• Konduktivitas Tinggi: Superkonduktor memiliki resistansi nol terhadap aliran arus. Kualitas ini memungkinkan arus untuk bersirkulasi tanpa henti dalam loop tanpa sumber, menjadikannya berharga dalam aplikasi seperti kumparan medan menarik dan qubit kuantum.
• Pengeluaran Magnet: Superkonduktor menolak magnet, yang menyebabkannya melayang. Keunikan ini dikenal sebagai efek Meissner dan dapat digunakan dalam kereta maglev, yang meluncur di atas rel tanpa kontak, menghasilkan waktu perjalanan yang lebih cepat dan jarak tempuh yang lebih sedikit.
• Suhu Kritis Tinggi: Superkonduktor suhu tinggi, misalnya cuprates, menjadi superkonduktor pada suhu yang lebih tinggi daripada material sebelumnya. Material ini meliputi barium, lanthanum, tembaga, yttrium, dan lainnya. Mereka menjadi superkonduktor pada suhu di atas - 135 derajat Celcius atau - 211 derajat Fahrenheit. Material ini lebih mudah digunakan daripada superkonduktor suhu rendah, yang membutuhkan suhu yang sangat dingin.
• Transmisi Daya: Superkonduktor dapat memindahkan daya tanpa kehilangan, menjadikannya menjanjikan untuk saluran transmisi arus tinggi yang efisien. Elemen ini pada dasarnya dapat bekerja pada kekuatan dan produktivitas kerangka kerja listrik.
• Magnet Kuat: Material superkonduktor menghasilkan medan menarik yang kuat ketika dibuat menjadi medan menarik atau loop. Medan ini digunakan dalam mesin MRI, yang membantu ahli untuk melihat di dalam tubuh manusia. Loop juga digunakan dalam pemecah partikel, yang merupakan mesin besar yang menabrakkan partikel bersama-sama dengan kecepatan tinggi. Magnet superkonduktor digunakan dalam kereta levitasi yang meluncur di atas rel karena magnet yang kuat.
• Perangkat Kuantum: Superkonduktor sangat penting untuk pengembangan teknologi kuantum. Mereka digunakan untuk membuat qubit, blok bangunan komputer kuantum yang dapat melakukan perhitungan yang kompleks. Qubit superkonduktor beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada jenis qubit lainnya, membuat komputasi kuantum lebih terjangkau. Superkonduktor juga digunakan dalam sensor medan magnet yang sangat sensitif yang disebut SQUID, yang dapat mendeteksi perubahan kecil dalam medan magnet.
• Kepadatan: Superkonduktor dapat menyimpan energi dalam ruang kecil. Ini berguna untuk gadget yang perlu muat di area terbatas, seperti gadget genggam dan sirkuit elektronik mini.
• Penghilangan Panas: Karena mereka tidak memiliki resistensi, superkonduktor tidak menghasilkan panas ketika daya melewatinya. Komponen ini berguna untuk perangkat keras yang tidak boleh menjadi panas atau terlalu panas, seperti komponen PC tertentu dan perangkat keras mutakhir.

Skenario Bahan Superkonduktor

Superkonduktor memiliki berbagai aplikasi di berbagai industri. Beberapa yang paling umum meliputi:

• Kabel dan Saluran Daya: Superkonduktor digunakan dalam kabel dan saluran daya untuk mengirimkan listrik dengan resistansi nol. Misalnya, kabel superkonduktor dipasang di Kota New York untuk menghubungkan dua gardu induk dan meningkatkan keandalan dan kapasitas pasokan daya. Kabel daya superkonduktor juga dapat digunakan untuk mengirimkan daya dari sumber energi terbarukan jarak jauh, seperti pembangkit listrik angin atau surya, ke daerah perkotaan secara lebih efisien.
• Levitasi Magnetik: Superkonduktor dapat menyebabkan magnet melayang (atau melayang) di atasnya. Ini disebut levitasi magnetik. Contoh paling populer dari ini adalah kereta maglev. Kereta maglev menggunakan superkonduktor untuk bergerak di sepanjang rel tanpa menyentuhnya. Ini memungkinkan kereta maglev untuk bergerak lebih cepat daripada kereta biasa karena ada sedikit gesekan yang menahannya.
• Pencitraan Medis: Superkonduktor digunakan dalam mesin pencitraan resonansi magnetik (MRI). Mesin ini membantu dokter melihat di dalam tubuh tanpa melakukan operasi. Mesin MRI membutuhkan magnet yang sangat kuat untuk bekerja, dan superkonduktor membuat magnet itu.
• Akselerator Partikel: Superkonduktor digunakan dalam mesin yang disebut akselerator partikel. Mesin ini mempercepat partikel kecil dan menabrakkannya bersama-sama sehingga para ilmuwan dapat mempelajari apa yang terjadi. Beberapa akselerator partikel terbesar, seperti Large Hadron Collider, menggunakan magnet superkonduktor untuk mengarahkan dan memfokuskan partikel.
• Propulsi Elektromagnetik: Superkonduktor dapat digunakan untuk membuat elektromagnet yang kuat. Magnet ini dapat digunakan untuk mendorong benda, seperti roket atau kapal. Misalnya, proyek ESK8 Jepang berhasil mendemonstrasikan propulsi elektromagnetik menggunakan superkonduktor.
• Komputer Kuantum: Jenis tertentu dari bit kuantum, atau qubit, dibuat dari material superkonduktor. Qubit ini dapat melakukan perhitungan jauh lebih cepat daripada bit biasa. Perusahaan seperti Google dan IBM sedang berupaya membangun komputer kuantum yang menggunakan qubit superkonduktor.
• Komponen Listrik: Superkonduktor dapat meningkatkan kinerja bagian listrik, seperti transistor dan dioda. Transistor superkonduktor dapat mengalihkan sinyal listrik jauh lebih cepat, yang berguna dalam komputer dan perangkat elektronik lainnya.
• Pertahanan dan Antariksa: Superkonduktor digunakan dalam aplikasi militer dan luar angkasa. Misalnya, mereka dapat membuat magnet yang lebih kecil dan lebih ringan untuk drone dan mesin terbang lainnya.

Cara Memilih Bahan Superkonduktor

Superkonduktor dapat diklasifikasikan berdasarkan suhu kritis, medan magnet kritis, dan fenomena kritis. Saat memilih superkonduktor, penting untuk mempertimbangkan bagaimana mereka diklasifikasikan.

Superkonduktor konvensional adalah superkonduktor suhu rendah. Mereka diklasifikasikan berdasarkan suhu kritis mereka. Superkonduktor ini memiliki suhu kritis kurang dari 30 Kelvin. Mereka terutama ditemukan dalam paduan niobium dan digunakan dalam berbagai aplikasi. Saat memilih superkonduktor konvensional, penting untuk mempertimbangkan suhu operasi dan menentukan apakah itu cocok untuk aplikasi yang dimaksud.

Superkonduktor suhu tinggi adalah jenis superkonduktor lainnya. Mereka diklasifikasikan menurut suhu kritis mereka, yang di atas 30 Kelvin. Memilih superkonduktor suhu tinggi melibatkan mempertimbangkan suhu kritisnya. Material HTS cocok untuk berbagai aplikasi seperti kabel daya, pencitraan resonansi magnetik, dan perangkat interferensi kuantum superkonduktor.

Selain suhu kritis, superkonduktor juga dapat diklasifikasikan menurut medan magnet kritis. Ini berlaku untuk semua jenis superkonduktor. Superkonduktor Tipe I memiliki medan magnet kritis yang lebih rendah daripada superkonduktor Tipe II. Saat memilih superkonduktor, penting untuk mempertimbangkan kekuatan medan magnet untuk menentukan material yang paling tepat untuk aplikasi tersebut.

Superkonduktor juga diklasifikasikan menurut fenomena tersebut. Misalnya, superkonduktor BCS didasarkan pada teori Bardeen-Cooper-Schrieffer. Memilih material superkonduktor melibatkan mempertimbangkan interaksi elektron-fonon dan menentukan apakah superkonduktor konvensional atau suhu tinggi yang diinginkan.

Superkonduktor juga dapat diklasifikasikan berdasarkan aplikasinya. Misalnya, superkonduktor teknologi banyak digunakan dalam berbagai aplikasi. Mereka meliputi superkonduktor Tipe II dan suhu tinggi. Memilih superkonduktor untuk berbagai aplikasi melibatkan mempertimbangkan faktor-faktor seperti biaya, kemudahan penggunaan, dan kinerja.

Pertanyaan dan Jawaban Material Superkonduktor

T1: Apa saja tantangan menggunakan superkonduktor?

J1: Superkonduktor hanya dapat digunakan dalam lingkungan dengan suhu yang sangat rendah. Material harus didinginkan hingga antara 0 dan -273 derajat Celcius agar berfungsi, yang bisa menjadi tugas yang berat. Atau, para ilmuwan sedang mengerjakan superkonduktor suhu tinggi yang dapat beroperasi pada suhu kamar.

T2: Apa saja aplikasi superkonduktor?

J2: Superkonduktor digunakan dalam mesin MRI, akselerator partikel, kereta maglev, dan komputer kuantum. Mereka juga digunakan untuk membuat magnet yang sangat kuat.

T3: Bagaimana cara mengubah superkonduktor menjadi superkonduktor?

J3: Para ilmuwan telah menemukan bahwa superkonduktor hanya dapat diubah menjadi superkonduktor ketika elektron berpasangan melalui proses yang disebut pemasangan elektron. Elektron yang berpasangan dapat bergerak bebas tanpa resistensi, menciptakan superarus.

T4: Apa saja bahaya superkonduktor?

J4: Tidak ada bahaya dari superkonduktor. Namun, mereka tidak aman. Material tersebut menciptakan magnet yang dapat menyebabkan cedera serius jika seseorang terjebak dalam medan magnet superkonduktor.

T5: Apakah superkonduktor kehilangan medan magnet?

J5: Superkonduktor tidak kehilangan medan magnet. Bahkan, mereka menciptakan medan magnet yang secara permanen terbungkus dalam medan magnet.