Transcript FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Supravodljivost Uvod: Osnovne karakteristike supravodljivih materijala Osnovne karakteristike supravodiča I vrste Teorija supravodljivosti Karakteristike supravodiča II vrste Primjene ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Zavod za.

FAKULTET
ELEKTROTEHNIKE I
RAČUNARSTVA
MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE
Supravodljivost
Uvod: Osnovne karakteristike supravodljivih materijala
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
Teorija supravodljivosti
Karakteristike supravodiča II vrste
Primjene
ZAVOD ZA
ELEKTROSTROJARSTVO
I AUTOMATIZACIJU
Zavod za primijenjenu fiziku
Ak. god. 2014/2015
Zagreb, 16. 01. 2015.
http://www.youtube.com/watch?v=VyOtIsnG71U
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
1908. Heike Kamerlingh-Onnes: po prvi puta uspješno ukapljio helij,
1911.- pitanje ponašanja električnog otpora na niskim temperaturama, mjerenja
otpora žive: smanjenjem temperature otpor se smanjuje, ali na 4.2 K njezin
otpor naglo pada na nulu!
" Živa je prešla u novo stanje, koje se zbog svojih iznimnih elektricnih svojstava
može nazvati supravodljivo stanje ".
Prvo svojstvo supravodiča (SV):
Hladenjem ispod neke odredene
( tzv... kriticne ) temperature Tc,
njihov električni otpor je nula
Posljedica: struja kroz supravodljivu petlju teče
bez vanjske razlike potencijala i bez gubitaka
praktički beskonačno dugo.
Kamerlingh-Onnes - stalne struje
( persistent currents ).
velike mogučnosti praktične primjene tog otkrica.
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
13.2.2009
3
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
+ -
S
S
Tekući helij (T=4K)
B
B
Stalno magn. polje
SV- zavojnica, žice, sklopka
Napomena: i nakon 4 god po isključivanju izvora struja je i dalje tekla tim krugom,
a da se ni najpreciznijim mjerenjma nije moglo utvrditi smanjenje njene jakosti
13.2.2009
4
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
SUPRAVODLJIVI ELEKTROMAGNETI-(danas vrlo jake) struje prolaze bez el.
otpora (tanke supravodljive žice promjera oko 0,1 mm kojima mogu prolaziti struje
jakosti od stotinjak ampera) i tako proizvode (danas jaka) trajna magn polja
-zauzimaju manji prostor, troše mnogo manje energije i daju jača
magnetska polja nego obični
Kamerlingh-Onnes - pokušava iskoristiti supravodiče za dobivanje jakih
magnetskih polja ALI tada poznati supravodljivi materijali nisu podnosili
velike gustoće struje!
-Jc-razbija se supravodljivo stanje.
Drugo svojstvo SV
(samo ako su T i J manji od kritičnih vrijednosti za dani materijal, materijal ce
biti u supravodljivom stanju (npr. pojava supravodljivosti nastaje samo ako je
gustoca struje dovoljno niska, prijede li ona kriticnu vrijednost, elektricni otpor
metala se ponovno uspostavlja ).
Treće svojstvo SV (supravodič u magnetskom polju)-dovoljno jako polje Hc
razara supravodljivost
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
Kritično magnetsko polje kao funkcija T:
-kritična vrijednost magnetskog polja koja uzrokuje prijelaz u normalno stanje
ima najveću vrijednost pri T=0 K, a opada s povećanjem temperature prema
kritičnoj temperaturi Tc.
13.2.2009
6
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
Zaključak:
Supravodljivo stanje je definirano s
tri važna parametra:
kritična temperatura (TC),
kritično magnetsko polje (HC)
i kritična gustoća struje (JC).
Svaki od tih parametara je jako ovisan o
preostala dva, i samo ako su svi manji od
kritične vrijednosti za dani materijal,
materijal će biti u supravodljivom stanju.
7
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
Meissnerov efekt
1933. Meissner i Ochsenfeld otkrili su još jedno bitno svojstvo SV, koje je
nezavisno od stanja idealne vodljivosti:
ako se neki materijal koji ima SV svojstva stavi u magnetsko polje i ohladi na
temperaturu nižu od kritične temperature Tc, magnetsko polje bit će
istisnuto iz unutrašnjosti supravodiča .
Na površini SV induciraju se struje koje stvaraju takvo magnetsko polje koje
poništava vanjsko magnetsko polje, te je u unutrašnjosti SV magnetsko polje
uvijek nula. Ova pojava se definira kao idealni dijamagnetizam.
8
Meissnerov efekt
magnetska indukcija supravodica B=0,
M-magnetizacija
H-magnetsko polje
M=-H
13.2.2009
9
Pokus levitacije magneta iznad supravodiča-U posudu se ulije tekuci dušik i u
njega se uroni supravodljivi materijal YBCO. Nakon nekoliko minuta dostize se Tc
Iznad plocice postavi se magnet slitine NdFeB ( Neodijum-željezo-bor ).
13.2.2009
10
Prvi uspješno magnetski levitiran živi organizam na sobnoj temperaturi -mala žaba,
(travanj 1997.) u Laboratoriju za jaka magnetska polja u Nijmegenu (Nizozemska)
13.2.2009
11
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
13.2.2009
12
Osnovne karakteristike supravodiča I vrste
Niobij je metal s najvišom Tc (9,5K) (tehnecij ima još višu ali je radioaktivan)
1945. godine B. T. Matthias - spoj Nb3Sn do tada najvišu vrijednost kriticne temperature
(18,1 K), i znacajno bolja SV svojstva.
1973. sintetizirana legura Nb3Ge Tc=23,2 K
13.2.2009
13
TEORIJA SUPRAVODLJIVOSTI
1957. godine Bardeen, Cooper i Schrieffer (tzv. BCS teorija ),
-supravodljivost posljedica stvaranja parova elektrona uz pomoć
vibracija kristalne rešetke ( fonona )
Kvantnofizikalnim proračunima pokazano da je posljedica procesa elektron—
fonon-elektron interakcije pojava sile sparivanja:
privlačno djelovanje izazvano deformacijom rešetkeprivlačna sila sparivanja
(djeluje samo pri niskim T i na elektrone suprotne količine gibanja)
14
TEORIJA SUPRAVODLJIVOSTI
slobodni e više nisu nezavisni već formiraju vezane parove-COOPEROV par (CP)
(čestica sa dva elektronska naboja, srednja udaljenost oko 10-4 cm)
–sila sparivanja djeluje između dva e samo u slučaju kad imaju suprotne
količine gibanja i kad im je ukupna unutrašnja kutna količina gibanja jednaka 0
-e izmjenjuju partnere,
-CP ne gibaju se nezavisno, već korelirano (opisuje jedna valna funkcija)
i bez otpora!
(promjena količine gibanja jednog para zahtjevala bi i promjenu količine gobanja
i svih drugih parova, a ispod kritične temperature za takvu redistribuciju
nema dovoljno energije
13.2.2009
15
Supravodiči II vrste
Supravodiči I vrste -najveći problem praktične primjene :
vrlo niske temperature Tc (potreban tekuci He, skupo!)
 ne mogu se iskoristiti za stvaranje jakih magnetskih polja
(od desetak T i više) - gube supravodljivost!
1957 Abrikosov predvidio drugačije ponašanje supravodiča u magnetskom polju
a zatim su i otkriveni supravodiči koji imajudva kriticna magnetska polja Bc1 i Bc2
-Supravodici tipa II (3 stanja-supravodljivo, miješano i u normalno)
U miješanom stanju materijal nema el. otpor, ali vanjsko magn. polje može
proći kroz njega
-Otporni su i na vrlo jaka magnetska polja (upotreba za solenoide koji
proizvode vrlo snažna magn. polja i po nekoliko desteaka tesla)
13.2.2009
16
Supravodiči II vrste
B< Bc1 - supravodljiv i perfektan diamagnet kao i supravodic tipa I.
Bc1<B< Bc2 –u miješanom stanju, “vortex state” (vrtložno stanje).
magnetsko polje lokalizirano prodire u uzorak (“cijevi”) ali ga ne provodi u
normalno stanje.
U uzorku postoji lokalizirano magnetsko polje koje je kvantizirano,
a kvant tog polja zovemo flukson.
13.2.2009
17
Supravodiči II vrste
Fluksoni se rasporeduju preko presjeka supravodiča u rasporedu koji podsjeća
na kristalnu rešetku. Na mjestu gdje “cijev” magnetskog polja prolazi kroz uzorak
-normalno stanje, promjer tog područja je reda velicine Londonove duljine prodiranja L
Izvan tog podrucja uzorak je u supravodljivom stanju.
Kako vanjsko polje B raste gustoca cijevi
magnetskog toka raste dok konacno pri B>Bc2 uzorak prelazi u normalno stanje.
13.2.2009
18
Supravodiči II vrste
Sl. Prikazuje kriticnu gustocu struje Jc i kriticnu temperaturu Tc i gornje
kriticno polje Bc2.
13.2.2009
19
Supravodiči II vrste
Zanimljivo je da su gotovo svi supravodici I. tipa čisti metali, gotovo svi
supravodiči II. tipa su različite legure.
13.2.2009
20
Supravodiči II vrste
1986. K. A. Muller i J. G. Bedborz (IBM, Zurich) sintetizirali bakar-barij-lantan-oksid
Uz kritičnu Tc od 35 K-vrsta nove keramike
(atomi smjesteni po slojevima-vidi sliku)
-niz novih materijala s kemijskim sastavom R-Ba-Cu-O
(R= Se, La, Nd, .....rijetke zemlje ili prijelazni metali)supravodiči s Tc= 90 K
-mogućnost korištenja N2
----? SV sobne T? SUPRAVODLJIVA TEHNOLOŠKA REVOLUCIJA
Slika-Primjer strukture visoko temperaturnog SV-YBa2Cu3O7-d - YBCO
13.2.2009
21
Supravodiči-evolucija
13.2.2009
22
Primjena: Josephsonov spoj
JOSEPHSONOV efekt: Tuneliranje Cooperovih parova predstavlja struju koja teče
bez vanjskog napona na spoju a ovisi o razlici u fazi izmedu valnih funkcija koje
opisuju Cooperove parove u supravodičima.
13.2.2009
23
Primjena: Josephsonov spoj
Ako na Josephsonov spoj nije priključen na napon, postoji
početna faza koja daje struju (njime teče direktna
Josephsonova struja).
To je tzv. Istosmjerni Josephsonov efekt
Ako bi J. Spoj bio priključen na konstantni vanjski napon,
nastalo bi sinusno titranje vrlo visoke frekvencije (izmjenična
Joseph. struja)
ν=2eV/h
koja se u praksi teško registrira i ukupna struja kroz J.spoj je u
tom slučaju praktički nula.
Ako se izmjenična supervodljiva struja frekventno modulira
vanjskim radiofrekventnim poljem, nastaju skokovite
promjene u struji.
To je tzv. Izmjenični Josephsonov efekt
13.2.2009
24
Primjena: Izmjenični Josephsonov spoj
Josepshonov spoj je savršen naponsko-frekventni pretvarač.
Jedna od prvih primjena izmjeničnog Josephsonovog efekta
bila je u odredivanju standarda za napon (Kvantni etalon napona).
Budući da je frekvencija određena, razlika potencijala dvaju
supravodiča odredena je samo Planckovom konstantom h i
elektronskim nabojem e.
Kritična struja Io skokovito raste kad je Josephsonova frekvencija
(određena vanjskim naponom) jednaka višekratniku vanjske
frekvencije.
13.2.2009
25
Primjena: “Superconducting Quantum Interference Device”
Strujno-naponski senzor magnetskog toka
SQUID - Dva Josphsonova spoja -dva makroskopska
kvantnomehanička izvora-u SV petlju
( ekvivalentno paraleli dva Jos.sp.)
Struja kroz petlju je zbroj struja kroz
jedan i drugi Josephsonov spoj.
(mogućnost generiranja strujnih
interferentnih efekata na makroskopskom nivou). Supravodljivi kvantni interferometaruređaj kojim se demonstrira kvantna
Prikladnom se geometrijom SV materijala
interferencija
Relativna razlika faza dvaju struja može se načiniti
ovisnom o magnetskom polju koje
među strujama prolazi.
Magnetski tok će određivati jačinu
interferencijskih efekata dviju makroskopskih struja.
To je bit SQUID-a.
13.2.2009
26
Primjena: SQUID
Upotreba:
kao vrlo osjetljiv magnetometar za mjerenje slabih magn. polja s
točnošću 2x10-11.
-povezivanjem većeg broja Joseph. spojeva ta se točnost može još
povećati-SQUID-mjernje magn polja s točnošću oko 10-15 T
Koriste se za snimanje moždanih i srčanih valova, magnetoencafalografija.
Moždane aktivnosti popraćene su generiranjem vrlo slabih magnetskih.
13.2.2009
27
Upotreba SQUID-a
The Josephson effect has found wide usage, for example in the following areas:
SQUIDs, or superconducting quantum interference devices, are very sensitive magnetometers that
operate via the Josephson effect. They are widely used in science and engineering.
In precision metrology, the Josephson effect provides an exactly reproducible conversion between
frequency and voltage. Since the frequency is already defined precisely and practically by the
caesium standard, the Josephson effect is used, for most practical purposes, to give the definition of
a volt (although, as of July 2007, this is not the official BIPM definition)
Single-electron transistors are often constructed of superconducting materials, allowing use to be
made of the Josephson effect to achieve novel effects. The resulting device is called a
"superconducting single-electron transistor".
Josephson junctions are integral in Superconducting quantum computing as qubits such as in a Flux
qubit or others schemes where the phase and charge act as the Conjugate variables.
Superconducting Tunnel Junction Detectors (STJs) may become a viable replacement for CCDs
(charge-coupled devices) for use in astronomy and astrophysics in a few years. These devices are
effective across a wide spectrum from ultraviolet to infrared, and also in x-rays. The technology has
been tried out on the William Herschel Telescope
13.2.2009
28
Primjena-SV tehnološka revolucija
Supravodljivi dalekovodi i podzemni kablovi
 Supravodljivi elektromagneti i električni generatori
 Supravodljivi kompjutori
 Vrlo snažni SV magneti
(Supravodljivi magneti za MRI, akceleratore i detektore u fizici visokih energija)
 Superbrzi levitirajući vlakovi, automobili
http://www.youtube.com/watch?v=VuSrLvCVoVk
 SV spremnici energije
 SV mjerni uređaji, SV magnetski zaštitnici....
13.2.2009
29
Maglev
Svojim kretanjem bez trenja, smanjenom bukom, udobnijom vožnjom,
povećanom sigurnošću, neovisnošću o vremenskim nepogodama, mogućnošću
savladavanja većih uspona, užim prugama postavljenim iznad zemlje koje ne prekidaju
teren, maglev vozila će predstavljati ostvarenje onog što se danas naziva zelena pokretljivost.
Korištenje supravodljivih magneta za levitaciju i pogon omogućiti će ne samo veće
već i jeftinije brzine prijevoza (što nije imala nijedna nova tehnologija prijevoza do sada),
jer su energetske potrebe magleva samo 25% potreba avionskog prijevoza sličnih karakteristika.
Smanjenje energetskih zahtjeva smanjiti će zagađivanje okoline i ovisnost o uvozu goriva.
Daljnje smanjenje troškova ostvariti će se korištenjem novih visokotemperaturnih
supervodljivih materijala, za koje će udio troškova hlađenja biti još manji.
13.2.2009
30