Transcript 06. Supravodljivost

SUPRAVODLJIVOST
Osnovni pojmovi:
• Najopćenitija definicija supravodljivosti glasi: Supravodljivost je
pojava nestanka električnog otpora i potiskivanja unutarnjeg
magnetskog polja (pojava znana kao Meissnerov učinak), a
najčešće do nje dolazi u metalima pri niskim temperaturama.
• Supravodiči: vodiči koji imaju otpor nula (ili jako blizu nuli)
• Kritična temperatura supravodiča: ona temperatura pri kojoj otpor u
vodiču teži k nuli
Otkriće supravodljivosti i povijesni razvoj:
•
Za otkriće supravodljivosti je zaslužan nizozemski fizičar Heike Kammerling
Onnes (1911. godina)
•
Već 1908. godine uspješno je ukapio helij i postigao temperaturu od 4,2 K. U
to je vrijeme već bilo poznato da se sa snižavanjem temperature otpor metala
smanjuje, ali je postojalo nekoliko teorija o njegovoj vrijednosti na
temperaturama blizu apsolutne nule. Lord Kelvin je vjerovao da na vrlo
niskim temperaturama prestaje svako gibanje elektrona, dok su drugi, među
kojima je bio i Onnes, smatrali da otpor postepeno otpada i na nekoj
temperaturi poprima minimalnu vrijednost.
•
Onnesovo otkriće je manifestacija prvog bitnog svojstva supravodiča:
hlađenjem ispod neke određene (tzv. kritične) temperature Tc njihov električni
otpor je nula, i struja kroz njih teče bez gubitka praktički beskončno dugo
(odnosno sve dok je materijal na temperaturi koja je niža od kritične
temperature).
•
Eksperimentom je utvrđeno da je otpor
u Onnesovom supravodiču iznosio
manje od 10ˉ²³ Ohma
•
1913. Onnes je dobio Nobelovu nagradu
Heike Kammerling
Onnes
Grafička usporedba:
• Normalni vodič
• Supravodič
Kritične temperature nekih supravodiča:
SUPRAVODIČ
T/K
KADMIJ
0,56
CINK
0,88
ALUMINIJ
1,19
INDIJ
3,407
KOSITAR
3,722
ŽIVA
4,15
OLOVO
7,18
SVOJSTVA SUPRAVODIČA:
1. Vođenje struje bez električnog otpora
2. Istiskivanje magnetskog polja (Meissnerov
efekt)
1. VOĐENJE STRUJE BEZ ELEKTRIČNOG OTPORA
•
•
•
Onnesovo otkriće je manifestacija prvog bitnog svojstva supravodiča:
hlađenjem ispod neke određene (tzv. kritične) temperature TC njihov
električni otpor je nula, i struja kroz njih teče bez gubitaka praktički
beskonačno dugo (odnosno sve dok je materijal na temperaturi koja je niža
od kritične temperature).
U praksi je utvrđeno da je i nakon 4 godine po isključivanju izvora struje i
dalje tekla tim krugom, a da se ni najpreciznijim mjerenjima nije moglo
utvrditi nikakvo smanjenje njene jakosti.
Ako jakost struje u supravodiču prijeđe određenu vrijednost ( Ic ), materijal
prelazi iz supravodljivog stanja u normalno
•
KRITIČNA STRUJA, Ic :
•
Maksimalna vrijednost jakosti struje koja može teći supravodičem ( a da
materijal ostane supravodljiv)
Ona ovisi o materijalu i temperaturi
Za svaki materijal najveća je pri 0 K i s porastom temperature postepeno
pada sve do kritične temperature, kada postane nula
•
•
2. ISTISKIVANJE MAGNETSKOG POLJA (MEISSNEROV EFEKT)
•
Meissner-Ochsenfeldovo otkriće:
•
Ako se neki materijal koji ima supravodljiva svojstva stavi u magnetsko
polje i ohladi na temperaturu koja je niža od kritične temperature TC,
magnetsko polje biti će istisnuto iz unutrašnjosti supravodiča (točnije
rečeno, prodiranje magnetskog polja biti će samo u tankom površinskom
sloju, pri čemu će to polje eksponencijalno trnuti). Na površini supravodiča
induciraju se struje koje stvaraju takvo magnetsko polje koje poništava
vanjsko polje, te je u unutrašnjosti supravodiča magnetsko polje uvijek nula.
Ova pojava se opisuje kao idealni dijamagnetizam.
Meissnerov efekt se javlja samo za relativno slaba magnetska polja; ako
polje prijeđe određenu (kritičnu) vrijednost, ono prodire u cijelu unutrašnjost
supravodiča i materijal prelazi u normalno stanje
•
•
•
Do šezdesetih godina ovog stoljeća intenzivna eksperimentalna i teorijska
istraživanja supravodljivosti imala su za cilj pronaći materijale sa što višom
vrijednošću kritične temperature, ali i dati potpuno fizikalno objašnjenje
same pojave. 1957. godine Bardeen, Cooper i Schrieffer su postavili
cjeloviti teorijski model (tzv. BCS teorija).
BSC TEORIJA
•
•
•
•
•
Znanstvenici zaslužni za tu teoriju su: John Bardeen, Leon Cooper i John
Schriefer.
1957. je razvijena, a 1972. donjela je Nobelovu nagradu
Prema toj teoriji supravodljivost je posljedica stvaranja parova elektrona uz
pomoć vibracija kristalne rešetke (fonona).
Slikovito ta teorija supravodljivosti tumači kao “igru” elektrona razdijeljenih u
parove ( tzv. Cooperovi parovi ). Slobodni elektron koji se giba kristalnom
rešetkom međudjeluje s ionima izvlačeći ih iz njihovog ravnotežnog položaja
i tako stvara porast pozitivnog naboja, kojim se može privući drugi elektron.
Unatoč uobičajenom elektrostatskom odbijanju može se između ova 2
elektrona pojaviti privlačenje. Ako sila privlačenja nadjača silu odbijanja,
elektroni će formirati par i njihova energija se smanji za energiju vezanja
para.
•
No činjenicu da je supravodljivost moguća samo pri izrazito niskim temperaturama
nisu prihvaćali svi, što je i dovelo do eksperimentiranja i teorijskih nastojanja da se
pronađu novi materijali sa što višom kritičnom temperaturom.
•
1986. godine Bednorz i Miller su otkrili da keramički La-Ba-Cu-O spoj ima
supravodljivi prijelaz na 35 K. Bio je to početak novih istraživanja tzv.
visokotemperaturnih supravodiča. 1987. spoj pronađeno je da je spoj YBa2Cu3Ox
(YBCO) supravodljiv iznad 90 K, a kasnije su sintetizirani i druge takve tzv.
perovskitne strukture, s vrijednostima kritičnih temperatura iznad 130 K.
•
Otkriće visokotemperaturnih supravodiča predstavljalo je i prekretnicu u širem
prihvaćanju supravodljivosti, koju je sada bilo moguće postići pomoću jeftinog
tekućeg dušika (koji se ukapljuje na 77 K). U odnosu na "klasične" supravodiče, nove
materijale karakteriziraju i veće gustoće struja,
i iako još nisu u potpunosti razriješeni svi
tehnološki problemi, oni će omogućiti još
značajnije korištenje supravodljivosti.
PRIMJENA SUPRAVODLJIVOSTI
I. Vođenje el.struje bez gubitaka energije
•
U laboratoriju se već odavno koriste supravodljivi elektromagneti
•
U računalima
•
Generatori, trnsformatori, elektromotori
II. Iskorištavanje Meissnerovog efekta
•
U laboratoriju, lebdeći vlakovi
•
Nakon što se u supravodljiv magnet pusti struja (i iskopča) ne treba više
napajanja
•
Struja se u njemu trajno održava, jer nema gubitka na omski otpor
•
Naravno, za vrijeme rada on se cijelo vrijeme drži u tekućem heliju
LEVITACIJA
•
•
•
•
Posljedica savršene dijamagnetičnosti supravodiča
Npr. permanentni magnet i podloga od supravodljivog materijala
Ako je podloga na temperaturi iznad kritične temperature (normalno stanje)
magnet leži na podlozi
Ako se temperatura podloge snizi ispod kritične temperatue materijal postaje
supravodljiv,magnet se diže iznad površine podloge i ostaje lebdjeti
MAGLEV*
•
•
•
Eng*: Magnetic levitation (magnetska levitacija)
U svijetu se već više godina primjenjuju lebdeći vlakovi koji kao prednosti
imaju brzinu i niz ekoloških prednosti.
Rekordna brzina je postugnuta u Japanu 2003. godine a iznosila je 581
km/h.
http://en.wikipedia.org/wiki/File:JR-Maglev-MLX01-2.jpg
Novi supravodiči
•
•
•
•
•
Műller i Bednorz su 1987. dobili Nobelovu nagradu za fiziku za otkriće
visokotemperaturne supravodljivosti u keramičkim bakrenim oksidima.
Našli su da uzorak keramičkog oksida barija, lantana i bakra pokazuje
kritičnu temperaturu supravodljivoga prijelaza na 35 K
To je bilo čak 12 °C više od rekorda iz 1973. ostvarenog na niobijevim
spojevima
Kasnije je postignut supravodljiv prijelaz iznad 90 K u uzroku YBa2Cu3O7x, a 1988. (prijelaz je na 125 K)
PROBLEMI NOVIH SUPRAVODIČA:
Kruti su i krhki su te su im kritične struje vrlo male
PROBLEMI SUPRAVODLJIVOSTI
• Kao što smo već spomenuli supravodljivost se odvija na vrlo niskim
temperaturama što otežava primjenu u svakodnevnom životu
(naime, razlika između sobne temperature od 293K i 4,2 K je
poprilična)
• Upravo u tome leži najveći problem, koji je uvijek glavni faktor u
znanosti a to je financijski faktor. Održanje vodiča u supravodljivom
stanju bi zahtjevalo njihovo držanje u tekućem heliju a to je
PRESKUPO i nažalost još uvijek neekonomično.
• Novi supravodiči koji imaju veće kritične temperature su kruti i krhki i
zbog toga se od njih ne mogu napraviti žice
LITERATURA
•
•
www.eskola.hfd.hr
www.wikipedia.com
•
Vladimir Paar: Fizika (za srednje škole)
Napravio: Matko Topolovec N3261
HVALA NA PAŽNJI !
SRETNO!