Transcript Sıcaklık ve Termodinamiğin Sıfırıncı Kanunu

Süperiletkenler
Fizikte Özel Konular
Sunu 5
Süperiletken Nedir
• Sıcaklıkları belirli bir değerin altına
düşürüldüğünde elektrik akımına karşı direnci
sıfır olan malzemelere süperiletken denir.
• Halka şeklindeki bir süperiletkenin taşıdığı
akımın yıllarca aynı kaldığı gözlenmiştir. Buda
elektronların normal iletkendekine göre daha
farklı hareket ettiklerini gösterir.
İki Temel Özelliği
1. Elektrik akımına karşı oluşan akımın
tamamen sıfırlanmasıdır
(Bu durum ne işimize yarar?)
2. Bir süperiletkenin içine manyetik alan nüfuz
edemez. Yani materyalin içi bütün manyetik
kuvvetlerden korunmaktadır.
(Bu durum ne işimize yarar?)
Video
• Meissner Efekti :
http://www.youtube.com/watch?v=OFPIafBBcpY
• Bahçeşehir Koleji Bilim Müzesi
http://www.youtube.com/watch?v=_AtL6-nzMFs
• Uçan Tren:
http://www.youtube.com/watch?v=3zl9zIa82Ew
Süperiletkenlik Nasıl Oluşturulur
Süperiletkenliğin Keşfi
• 1908 yılında Heike Kamerling Onnes Helyumu
sıvılaştırmayı başarmış ve 1911 yılında civanın
direncinin 4,19 K de aniden sıfıra düştüğünü
gözlemlemiştir.
Meissner Olayı
• Süperiletken haldeki bir metalin içine
manyetik alan yoğunluğunun asla nüfuz
edemediği Meissner ve Ochsenfeld tarfından
1933 te bulundu.
İki Akışkan Modeli
• 1934: Gorter ve Casimir süperiletkenlik
özelliğini elektronları iki sınıfa ayırarak
açıkladılar.
– Süper elektronlar(SE): dirençsiz geçiş yapan
– Normal elektronlar (NE): iletim sırasında direnç
gösteren
• Sıcaklıkla süper-elektron ve normal-elektron sayısı
değişmektedir. 0K ya yaklaştıkça SE sayısı artar.
• Helyum iyonunun süperakışkan özelliği iki akışkan
modeli ile açıklanabilmiştir.
İzotop Etkisi
• 1950: Maxwell ve Raynolds tarafından
keşfedilen izotop etkisi araştırmalara yön
vermiştir.
• Civanın farklı izotopları üzerindeki bir çalışma,
kritik sıcaklık ve izotop kütlesi arasında bir
bağıntının varlığını ortaya koymuştur.
• Civa kütlesi 199,5 ten 203,4 e çıktığında Tc
4,185 ten 4,140 e inmiştir.
Elektron Örgü Etkileşimi
• 1950: Fröhlich, elektron-fonon (enerji titreşimi) etkileşmesinin
iki elektronu çiftlendirebileceğini ve böylece elektronların
sanki arada doğrudan bir etkileşme varmış gibi
davranabileceğini öne sürmüştür.
• Bir elektronun yaydığı fonon başka bir elektron tarafından
emilir böylece elektronlar arasında zayıf bir çekim kuvveti
oluşur.
• Güçlü elektron-fonon etkileşmesine sahip olan maddeler oda
sıcaklığında zayıf iletken, zayıf elektron-fonon etkileşmesine
sahip olan (altın, gümüş) iyi iletkendir ve düşük sıcaklıkta dahi
süperiletken olamazlar.
BCS Teorisi
• 1957: Bardeen, Cooper ve Schrieffer tarafından
yayınlanmıştır.
• Basit şekliyle bu teori: düşük sıcaklıklarda elektronlar
“Cooper çiftleri” adı verilen ikililer oluştururlar ve bu
çiftler iletken içerisinde atonlara çarpmadan (yani
enerji kaybetmeden) hareket ederler.
• Kısaca BSC teorisine göre, Coulomb ve fonon
indüklemeli etkileşimlerin birleşiminden oluşan net
etkileşim çekimsel olduğunda metaller süperiletken
davranış gösterir.
Cooper Çiftlerinin Oluşumu -1
Cooper Çiftlerinin Oluşumu -2
I. Tip Süperiletken
• Bir süperiletken de belirli bir kritik harici
manyetik alan değeri aşılınca manyetik alanın
tamamen malzeme içine nüfuz etmesiyle
süperiletkenlik tamamen yok oluyorsa ona
I. Tip süperiletken denir.
II. Tip Süperiletken
• Süperiletkenlik tamamen yok olmayıp
manyetik alanın hem nüfuz edebildiği hem de
edemediği bölgeler oluşuyorsa 2. Tip
süperiletken olarak adlandırılır.
• 2 metalden oluşurlar
• 2. tip süperiletkenlerin
bulunması ile süperiletken
teknolojisi kullanılmaya
başlanmıştır.
Josephson Olayı
• Farklı iki süperiletkenden yapılan bir eklemde
dışarıdan voltaj uygulamada akım geçebilir (dc
Josephson olayı)
Josephson Olayı
• Ekleme dışarıdan bir voltaj uygulandığında da
bir alternatif akım geçer.
• Bu olay 1962 yılında Josephson tarfaından
öngörülmüş, 1963 yılında dc ve 1965 yılında ac
Josephson olayları gözlenmiştir.
1986-Kırılma Noktası
• BCS teorisi 30K sıcaklığa kadar
süperiletkenlerin var olabileceğini bu
sıcaklıktan sonra bulunamayacağını
öngörmekte idi.
• 1986 Ekim ayında Bednorz ve Müller BaryumLantan-Bakır-Oksit seramiğinin 35K da
süperiletkenlik göstermeye başladığını
bulmuşlardır.
• Bu tarihten sonra Yüksek Sıcaklık
Süperiletkenliği (YSS) dönemi başlamıştır.
Kritik Sıcaklık Rekorlarının Yıllara
Göre Gelişimi
•
•
•
•
1987
1988
1988
1993
YBa2Cu3O7
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
95 K
110K
125K
131 K
(7GPa Basınçla)
• 1994
• 1995
Hg0,8Pb0,2Ba2Ca2Cu3OX
Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8.33
133K
138K
Süperiletkenlik Tabanlı Teknolojiler
• Ne yazık ki süperiletkenlik hayali kurulan
noktanın çok uzağındadır.
– Kullanımda soğutma gerektirmektedir
– Kırılgan yapıda olduklarından bakır tel gibi
işlenemez
– Üretimleri yeterince ucuz ve bol değildir.
– Taşıyabildikleri akım miktarları ve dayanabildikleri
manyetik alan üst sınırı bir kısıtlama
oluşturmaktadır.
Süperiletkenlik Tabanlı Teknolojiler
• Elektrik Güç Kabloları
– Bakır veya alüminyum kablolara göre 150 kat daha fazla
güç iletebilmektedirler.
– Azotla soğutulan kablolar akıma karşı direnç
göstermediğinden enerji kaybına yol açmazlar, daha
verimlidirler.
– ABD de ulusal elektrik ağında çalışmalar devam etmekte
olup, talebin giderek artacağı tahmin edilmektedir.
– Yüksek gerilim hatlarına karşı yeraltından daha yüksek akım
taşıyan, çevreye duyarlı kabloların üretilmesi çevreci uyanış
için alternatif sağlar.
Süperiletkenlik Tabanlı Teknolojiler
• Motorlar
– Özellikle gemicilikte ve hatta uçaklarda verimi
artırır.
– ABD de 1000 bg ve üssü YSS motorları
kullanıldığında 1 milyar dolar değerinde enerji
kaybının önleneceği tahmin edilmektedir.
Süperiletkenlik Tabanlı Teknolojiler
• Trafolar
– İletim ve dağıtım amaçlı voltaj yükseltme ve
düşürme işine yararlar.
– Sık sık arıza yapmaları ve aşırı yüklenmeleri
muhtemeldir.
– YSS trafolar daha küçüktür ve aşırı yüklenmeye
karşı daha dayanıklıdır.
– İşletme maliyeti düşük ve çevre dostudur.
– Yüksek nüfus yoğunluğu olan yerlerde tercih edilir.
Süperiletkenlik Tabanlı Teknolojiler
• Manyetik Rezonans Görüntüleme Cihazları
• Maglev Trenleri
– 2006 yılında 20K sıcaklıkta çalışan özel geliştirilmiş
bir süperiletken sayesinde Japonya’da bir tren
500 km/h ulaşmıştır.