Змест[Схаваць][Паказаць]
Матэрыялы - гэта крыніца жыцця сучаснай электронікі, а не проста аснова.
Самая простая змена матэрыялу можа зрабіць рэвалюцыю ў працы нашых сучасных гаджэтаў, ад сотавых тэлефонаў, без якіх мы не можам жыць, да перадавых медыцынскіх тэхналогій, якія кожны дзень ратуюць жыцці.
Знайдзіце хвілінку, каб разгледзець шырокі спектр сучасных прылад і машын. Звышправаднікі і паўправаднікі - дзве зоркі ў цэнтры гэтых падзей.
Звышправаднікі - неапетыя героі перадавых прыкладанняў з-за іх загадкавай здольнасці пераносіць электрычнасць без усялякага супраціву.
Звышправаднікі дазваляюць інавацыі, якія раней здаваліся неймавернымі, такія як прылады магнітна-рэзананснай тамаграфіі (МРТ), якія даюць урачам магчымасць бачыць чалавечае цела, і перадавыя цягнікі Maglev, якія, здаецца, «плывуць» на ашаламляльнай хуткасці.
З іншага боку, паўправаднікі — мозг і корпус нашых любімых электронных прылад — істотна змянілі наш погляд на свет. Іх нават можна знайсці ў сонечных батарэях, якія могуць забяспечваць ваш дом электрычнасцю, у кампутары, на якім вы, верагодна, чытаеце гэта, і ў наручных гадзінніках, якія вы носіце.
Ад простай навуковай цікаўнасці да асновы нашага лічбавы век, гэтыя матэрыялы зведалі трансфармацыю.
І звышправаднікі, і паўправаднікі гуляюць значную ролю ў нашым тэхналагічна развітым ладзе жыцця, але яны адрозніваюцца рэжымамі працы і ідэальным прымяненнем.
Гэты блог накіраваны на тое, каб раскрыць гэтыя два тэхналагічныя гіганты, даследуючы іх адрозненні, падабенства і адметныя прыкладанні, у якіх кожны з іх дамінуе.
Разуменне звышправадніка
Давайце пачнем наша даследаванне з вывучэння свету звышправаднікоў. З уласцівасцямі, якія часта рассоўваюць межы таго, што мы лічым магчымым, гэтыя матэрыялы з'яўляюцца аднымі з самых дзіўных акцёраў на навуковай сцэне.
Што з'яўляецца найбольш прывабным аспектам звышправадніка? здольнасць праводзіць электрычнасць, не сустракаючы ніякага супраціву. Так, вы правільна прачыталі - супраціўлення НУЛЯВАЕ.
Гэтая характарыстыка супярэчыць таму, што мы прывыклі чакаць ад традыцыйных праваднікоў, дзе супраціўленне і страта энергіі з'яўляюцца неад'емнымі часткамі працэсу правядзення.
Аднак як звышправаднік можа гэта зрабіць? Мы акунаемся ў свет квантавай фізікі, каб зразумець гэта.
Усё круціцца вакол стварэння «пар Купера» — пар электронаў з супрацьлеглымі характарыстыкамі, — якія праходзяць праз структуру рашоткі звышправоднага матэрыялу без рассейвання і страты энергіі.
Гэта з'ява нулявога электрычнага супраціўлення дазваляе эфектыўна перадаваць энергію без страт магутнасці, якія ўплываюць на нашы сучасныя сістэмы.
Эфект Мейснера
Нулявое супраціўленне - толькі адна з цікавых характарыстык звышправадніка. Яшчэ адной адметнай асаблівасцю з'яўляецца эфект Мейснера, які прымушае звышправаднік адхіляць магнітныя палі.
Любыя магнітныя палі, якія прысутнічаюць у матэрыяле, раптоўна знікаюць, калі ён становіцца звышправодным; гэта з'ява вядома як «ідэальны дыямагнетызм».
Вынік? Магніт можна прымусіць левітаваць над звышправадніком, ашаламляльнае візуальнае сведчанне велізарнага ўплыву эфекту Мейснера.
Звышправаднікі I і II тыпу
Не існуе аднаго тыпу звышправадніка, які падыходзіць для ўсіх прымянення. Яны даступныя ў гатунках тыпу I і тыпу II.
Чыстыя металы або металоіды, якія пераходзяць у звышправодны стан пры вельмі нізкіх тэмпературах, з'яўляюцца звышправаднікамі тыпу I.
Іх нармальны і звышправодны стан выразна адмежаваны адзін ад аднаго, прычым апошні становіцца актыўным толькі пры тэмпературы ніжэй пэўнага парога і магнітным полі.
Наадварот, звышправаднікі тыпу II звычайна вырабляюцца з складанай керамікі або металічных сплаваў.
Яны адрозніваюцца тым, што могуць захоўваць звышправоднасць пры больш высокіх крытычных тэмпературах і магнітных палях, што пашырае спектр магчымага практычнага выкарыстання.
У прыватнасці, звышправаднікі тыпу II таксама дэманструюць змешаны стан, у якім могуць суіснаваць звышправодныя і нармальныя вобласці.
Разуменне паўправаднікоў
Зараз мы пераходзім ад сапраўды дзіўнага свету звышправаднікоў да свету паўправаднікоў.
Паўправаднікі - гэта ціхія працоўныя конікі, якія рухаюць нашу сучасную лічбавую эру, але яны не такія прывабныя візуальна, як іх звышправодныя аналагі.
Што з'яўляецца вызначальнай асаблівасцю паўправаднікоў? Яны павінны валодаць здольнасцю паказваць зменлівае супраціўленне электрычнаму току, каб іх можна было выкарыстоўваць у электронных прыладах.
У адрозненне ад звышправаднікоў, якія цалкам ліквідуюць супраціўленне, паўправаднікі могуць па чарзе быць праваднікамі і ізалятарамі ў залежнасці ад сітуацыі.
Яны мяняюць свае паводзіны ў залежнасці ад абставін, дзейнічаючы як хамелеон тэхналагічнага свету.
Нягледзячы на тое, што гэта можа здацца не такім уражлівым, як нулявое супраціўленне, менавіта гэта ўласцівасць робіць паўправаднікі ідэальнымі для іх фундаментальнай функцыі, якая заключаецца ў рэгуляванні і кіраванні электрычным токам.
Праца паўправадніка
Мы павінны вывучыць атамную структуру паўправаднікоў, каб зразумець, як яны функцыянуюць. Рашотка атамаў са слаба звязанымі знешнімі электронамі акружае кожны атам у цэнтры паўправадніка.
Гэтыя электроны маюць магчымасць пераходзіць паміж узроўнямі энергіі, ствараючы так званыя «палосы».
Гэтыя знешнія электроны могуць аддзяляцца ад сваіх атамаў пры пэўных абставінах, пакідаючы на сваім месцы станоўчую «дзірку».
Паўправаднікі здольныя праводзіць электрычнасць дзякуючы рухомасці гэтых свабодных электронаў і дзірак.
Акрамя таго, шляхам легіравання — дадання прымешак — мы можам змяніць колькасць свабодных электронаў або дзірак, тым самым рэгулюючы праводнасць паўправадніка.
З-за сваёй здольнасці да дакладных маніпуляцый паўправаднікі з'яўляюцца асновай сектара электронікі.
Паўправаднікі N-тыпу і P-тыпу
Паўправаднікі N-тыпу і P-тыпу - два асноўныя тыпы, якія часта абмяркоўваюцца. Гэта наступствы легіравання чыстага паўправадніка для змены яго характарыстык; гэта не розныя матэрыялы.
Дабаўкі, якія забяспечваюць больш свабодных электронаў, дадаюцца для атрымання паўправаднікоў N-тыпу. Больш электронаў, чым дзірак, робіць іх «адмоўнымі».
З іншага боку, паўправаднікі P-тыпу маюць «станоўчую» прыроду, таму што яны легаваныя рэчывамі, якія вырабляюць больш дзірак, чым свабодных электронаў.
Калі паўправаднікі N-тыпу і P-тыпу аб'ядноўваюцца, каб утварыць спалучэнне, што прыводзіць да вытворчасці дыёдаў, транзістараў і іншых важных элементаў электронных прылад, ствараецца ашаламляльная дынаміка.
Прымяненне звышправаднікоў
Звышправаднікі знайшлі па-сапраўднаму захапляльнае прымяненне ў складаным свеце сучасных тэхналогій, з'яўляючыся прыкладам гарманічнага суіснавання навукі і творчасці.
Іх адметныя якасці, такія як нулявое супраціўленне, дазволілі ім атрымаць поспех у такіх галінах, як медыцына, транспарт і перадавыя вылічэнні.
Магнітна-рэзанансная тамаграфія (МРТ)
Цуд магнітна-рэзананснай тамаграфіі або МРТ можна сустрэць, калі зайсці ў любое сучаснае медыцынскае ўстанова. У гэтай сітуацыі звышправаднікі маюць вырашальнае значэнне.
як? Каб вырабляць выявы ўнутраных структур цела высокай выразнасці, МРТ-абсталяванне патрабуе магутных і ўстойлівых магнітных палёў.
Гэтыя моцныя магнітныя палі могуць стварацца з дапамогай звышправаднікоў з-за іх уласцівасцяў без супраціўлення, якія зводзяць на нішто патрэбу ў высокім спажыванні энергіі або патэнцыйнага цяпла, якое выдзяляецца звычайнымі праваднікамі.
Дзякуючы бясшумнай працы звышправаднікоў лекары цяпер могуць ідэнтыфікаваць хваробы з такой дакладнасцю, якой ніколі раней не было.
Цягнікі на магнітнай левітацыі (Maglev)
Мы хутка адпраўляемся ў мітуслівы свет транспарту з ціхіх калідораў медыцынскіх устаноў. Тут будучыя цягнікі Maglev прыводзяцца ў рух звышправаднікамі.
Гэтыя цягнікі не падобныя на іншыя; яны плывуць!
Цягнікі Maglev памяншаюць трэнне і забяспечваюць ашаламляльныя хуткасці за кошт выкарыстання звышправаднікоў для стварэння левітацыі і руху без непасрэднага кантакту з рэйкамі.
Гэтыя цягнікі даюць магчымасць зазірнуць у будучыню, дзе паездка на працу можа адчуваць сябе як лунанне ў паветры, а не проста дэманстрацыя інжынернага майстэрства.
Квантовыя кампутары
Межы вылічэнняў рассоўваюцца наперад квантавыя кампутары, якія абяцаюць карэнным чынам змяніць наша ўяўленне аб магутнасці апрацоўкі.
Што забяспечвае харчаванне ядраў гэтых прылад? Правільна, звышправаднікі.
Гэтыя рэчывы дазваляюць вырабляць кубіты, квантавы эквівалент бітаў, якія могуць існаваць у некалькіх станах адначасова.
У выніку тэарэтычна магчымыя вылічэнні, якія ў дзесяць разоў хутчэйшыя за галіновыя стандарты.
Дзякуючы звышправаднікам гэтыя кубіты працуюць ва ўстойлівым асяроддзі, без збояў, якія пагоршылі б іх працу.
Прымяненне паўправаднікоў
Паўправаднікі вылучаюцца як неапетыя героі ў тканіне тэхналагічных цудаў.
Яны ўкаранілі тэхналогіі, якія ўплываюць практычна на ўсе аспекты нашага жыцця дзякуючы іх здольнасці кантраляваць электрычныя токі.
Паўправаднікі з'яўляюцца сапраўды трансфармацыйнымі, забяспечваючы харчаваннем усё: ад машын, якія апрацоўваюць нашы заказы, да ўлоўлівання сонечнай энергіі і асвятлення навакольнага асяроддзя яркімі колерамі.
Мікрапрацэсары і мікракантролеры
Пачнем з вывучэння мікрапрацэсара, які служыць лічбавым мозгам практычна ўсіх сучасных электронных гаджэтаў.
Мікрапрацэсары служаць мозгам сістэмы, апрацоўваючы велізарныя аб'ёмы даных з неверагоднай хуткасцю дзякуючы паўправаднікам.
Блізкія сваякі мікрапрацэсара, мікракантролеры прызначаны для выканання пэўных функцый ва ўбудаваных сістэмах і часта кантралююць працэсы ў такіх прыладах, як пральныя машыны, пульты дыстанцыйнага кіравання і нават нашы аўтамабілі.
Хуткія і эфектыўныя вылічэнні, якія мы ўспрымаем як належнае, былі б немагчымыя без паўправаднікоў.
Сонечныя клеткі
Пераключэнне перадач, паўправаднікі знайшлі свой дом на сонцы, літаральна, у сонечных батарэях. Для пераўтварэння сонечнага святла ў энергію фотаэлементы, будаўнічы блок сонечных панэляў, абапіраюцца на характарыстыкі паўправаднікоў.
Электрычны ток утвараецца, калі фатоны ад сонца трапляюць на паўправадніковы матэрыял і ўзбуджаюць электроны ўнутры яго.
Паўправаднікі ляжаць у цэнтры гэтай чыстай аднаўляльнай крыніцы энергіі, якая ліквідуе разрыў паміж нашым тэхналагічным ладам жыцця і экалагічна чыстымі рашэннямі.
Святлодыёды і лазеры
Прыстасоўвальнасць паўправаднікоў дадаткова дэманструюць святлодыёды і лазеры, якія фізічна і вобразна асвятляюць наша жыццё.
Асвятленне было ператворана святлодыёдамі, якія забяспечваюць трывалыя, энергаэфектыўныя крыніцы святла, якія могуць ствараць вясёлку колераў.
як? Святлодыёд генеруе святло пэўнай даўжыні хвалі, калі ток праходзіць праз паўправаднік ўнутры.
Наадварот, лазеры ствараюць кагерэнтныя накіраваныя пучкі святла з дапамогай паўправаднікоў і выкарыстоўваюцца ў чым заўгодна: ад сканараў штрых-кодаў да хірургічных працэдур.
Звышправаднік супраць паўправадніка
Звышправаднікі і паўправаднікі вылучаюцца лідэрамі, пакуль мы вядзем перамовы ў складанай сферы новых матэрыялаў. Кожны адрозніваецца унікальным спалучэннем выключных якасцей, якія аказваюць уплыў на многія тэхнічныя сферы.
Калі іх паставіць побач, як яны насамрэч параўноўваюцца? Давайце параўнаем гэтых двух тэхналагічных гігантаў тварам да твару і развеем некаторыя міфы пра іх.
Праводнасць і супраціў
Пачнем з размовы пра праводнасць. З-за поўнай адсутнасці электрычнага супраціву звышправаднікі з'яўляюцца каралямі ў гэтай галіне.
У выніку, як толькі электрычны ток пачынае цячы праз звышправаднік, гэта павінна быць магчымым без неабходнасці дадатковай энергіі.
З іншага боку, паўправаднікі ляжаць пасярэдзіне паміж ізалятарамі і праваднікамі.
Нягледзячы на тое, што яны не валодаюць бездакорнай праводнасцю звышправаднікоў, менавіта іх вагальнае супраціўленне робіць іх лепшым выбарам для такіх работ, як узмацненне і апрацоўка сігналаў.
Працоўныя тэмпературы
На паводзіны гэтых матэрыялаў вялікі ўплыў аказвае тэмпература. Крыягенныя ўмовы часта патрабуюцца звышправаднікамі, каб прадэманстраваць сваю магію нулявога супраціву.
З іншага боку, паўправаднікі часта працуюць пры тэмпературы навакольнага асяроддзя, што робіць іх больш прыдатнымі для звычайнага асяроддзя і абсталявання.
Энергаэфектыўнасць
У нашым тэхналагічным асяроддзі, якое хутка змяняецца, энергаэфектыўнасць з'яўляецца сур'ёзнай праблемай. Дзякуючы сваёй праводнасці без страт, звышправаднікі забяспечваюць неперасягненую энергаэфектыўнасць, асабліва ў цяжкіх умовах і пры перадачы энергіі.
Паўправаднікі прапануюць энергаэфектыўныя рашэнні ў сваёй вобласці, такія як энергазберагальныя святлодыёды і эфектыўныя мікрапрацэсары, але менш эфектыўныя з пункту гледжання праводнасці.
Кошт вытворчасці і камерцыйная мэтазгоднасць
У гэты час паўправаднікі ідуць наперадзе з пункту гледжання вытворчасці і камерцыйнай мэтазгоднасці. Асноўны кампанент паўправаднікоў, крэмній, шырока даступны і вельмі недарагі ў вытворчасці.
Наадварот, многія звышправаднікі складаюцца з дарагіх або рэдкіх матэрыялаў, і іх патрэба ў вельмі нізкіх працоўных тэмпературах можа падняць цэны.
Развіццё высокатэмпературных звышправаднікоў, аднак, з'яўляецца мэтай працягу даследаванняў і можа выраўнаваць умовы з пункту гледжання эканамічнай жыццяздольнасці.
Абмежаванні і праблемы
Праблемы з паўправаднікамі і звышправаднікамі параўнальныя. Падтрыманне надзвычай нізкіх працоўных тэмператур для звышправаднікоў - бясконцая задача.
Большасць звышправаднікоў таксама могуць быць далікатнымі і іх цяжка сфармаваць у доўгія гнуткія правады або кабелі.
Нягледзячы на тое, што паўправаднікі становяцца больш прыстасоўвальнымі, яны набліжаюцца да сваіх абмежаванняў мініяцюрызацыі, і калі мы падштурхоўваем іх да новых межаў, квантавыя эфекты могуць паўплываць на іх прадукцыйнасць.
заключэнне
Падводзячы вынікі нашага глыбокага вывучэння звышправаднікоў і паўправаднікоў, ясна, што абодва рэчывы гуляюць важную ролю ў развіцці нашага тэхналагічнага ландшафту.
Паўправаднікі з іх рэгуляванай праводнасцю забяспечваюць лічбавае сэрцабіцце шматлікіх гаджэтаў, у той час як звышправаднікі з іх ашаламляльнымі магчымасцямі нулявога супраціву асляпляюць у высокаэфектыўных прылажэннях.
Гэтыя два, на мой погляд, больш, чым проста тэхналагічныя інструменты; яны архітэктары нашай будучыні, ствараючы ідэі, якія зробяць рэвалюцыю ў нашым жыцці, працы і гульні.
Яны ствараюць шырокі спектр магчымасцей, ад наватарскіх камп'ютэрных інавацый да ўстойлівых энергетычных рашэнняў. Дапытлівым чытачам прапануецца прыняць удзел, а не проста назіраць.
Сачыце за гэтымі падзеямі, таму што яны паказваюць на сімфонію новых ідэй, якія будуць працягваць паляпшаць нашу планету.
Звышправаднікі і паўправаднікі, несумненна, будуць у авангардзе выканання гэтых абяцанняў, паколькі будучыня прыходзіць з праблемамі і магчымасцямі.
Пакінуць каментар