Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz ich wykorzystanie.

Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz ich
wykorzystanie.
Aleksandra Galikowska
IMM, sem.2, st.II
Spis treści
1. Wstęp, historia ..................................................................................................................................... 3
2. Nadprzewodnictwo .............................................................................................................................. 4
3. Własności nadprzewodników .............................................................................................................. 5
3. Teoria Meissnera ................................................................................................................................. 7
4. Rodzaje nadprzewodników. ................................................................................................................ 8
5. Zastosowanie nadprzewodnictwa ........................................................................................................ 9
6. Podsumowanie................................................................................................................................... 11
Literatura: .............................................................................................................................................. 12
1. Wstęp, historia
Przygoda z nadprzewodnictwem zaczęła się dzięki odkryciu umiejętności skraplania
gazów, które wcześniej uważane były za gazy trwałe. Najpierw (1799r, M. van Muram) udało
skroplić się amoniak. Później w 1823r. Faraday skroplił chlor i dwutlenek węgla, poddane
zewnętrznemu ciśnieniu w temperaturze pokojowej. Skroplono także tlen (Wróblewski i
Olszewski) i wodór (James Dewar). Było to dla H. Kemerlinga-Onnes bodźcem do założenia
dużego centrum badań kriogenicznych w Lejdze. Zaczęto tam na dużą skalę korzystać ze
skonstruowanych przez Jamesa Dewara naczyń kriogenicznych, nazywanych dziś diuarami,
czyli naczyń szklanych, o podwójnych ściankach, posrebrzanych od zewnątrz. Przestrzeń
między ściankami była dokładnie opróżniona z powietrza, dzięki czemu naczynie ograniczało
wymianę ciepła z otoczeniem. Właśnie w Lejdze w 1908 roku Kamerlingh-Onnes skroplił
hel. Umożliwiło to kolejne badania własności materii w niskich temperaturach. Dzięki
swojemu wcześniejszemu dokonaniu, skropleniu helu, był jedynym wówczas na świecie
człowiekiem, który dysponował ciekłym helem i możliwością badań w tak niskiej
temperaturze. Do swych badań wybrał rtęć. Ku jego zaskoczeniu opór rtęci zamiast
stopniowo zmieniać się wraz z temperaturą, w pobliżu temperatury równej 4,3K gwałtownie
spadł, a w temperaturze 4,23K w ogóle zniknął. Oznaczało to, że prąd płynął przez rtęć bez
najmniejszych strat, tak jakby rtęć nagle straciła swą oporność elektryczną. Odkrycie to
uznano za jedno z największych w historii fizyki. Tego najsłynniejszego odkrycia dokonał w
1911 roku. Badając rtęć, cynę, ołów i inne metale stwierdził, że w pewnej temperaturze opór
elektryczny nagle zanika, jednak nie potrafił wyjaśnić tego zjawiska, ale doskonale zdawał
sobie sprawę z jego znaczenia. Uznał, że zanik oporności sygnalizuje nowy stan materii i
nazwał to zjawisko supraprzewodnictwem. Już w dwa lata po tym odkryciu, czyli w 1913
roku Holenderski naukowiec otrzymał Nagrodę Nobla.
Przez dziesiątki lat nadprzewodnictwo było tylko zwykłą ciekawostką bez perspektywy
praktycznego zastosowania. Trzema barierami w zastosowaniu nadprzewodnictwa były: silne
pole magnetyczne, wysoka temperatura i silne prądy. Przekroczenie przez każdy z tych
czynników pewnej niewielkiej wartości krytycznej prowadziło do zaniku nadprzewodnictwa.
Jako pierwsi podjęli problem badacze niemieccy w laboratorium Waltera Meissnera i już w
latach 30 uzyskali nadprzewodniki o temperaturze krytycznej równej 10K. W 1933 roku
Walther Meissner & Robert Ochsenfeld odkryli też bardzo ważną właściwość, że pole
magnetyczne jest wypychane z nadprzewodnika, a nadprzewodnik jest idealnym
diamagnetykiem.
Istotę zjawiska nadprzewodnictwa wyjaśnili teoretycznie dopiero w 1957 roku fizycy J.
Bardeen, L. Cooper i J.R. Schrieffer. Teoria BCS, nazwana od nazwisk twórców, zyskała
ogromne uznanie, którego efektem było przyznanie jej autorom nagrody Nobla w 1972 roku.
W miarę kolejnych badań, coraz dokładniej wyjaśniano zjawisko nadprzewodnictwa, szukając
przy tym innych pierwiastków i materiałów, które wykazują ten efekt także w wyższych
temperaturach.
2. Nadprzewodnictwo
Nadprzewodnictwo jest to zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w
niektórych metalach np. Pb, Zn, Al, stopach metali oraz w pewnych spiekach ceramicznych.
Nadprzewodnictwo obserwowane jest w niskich, mniejszych od pewnej, charakterystycznej
dla danego materiału temperaturze, tzw. temperaturze krytycznej. Materiały, które wykazują
efekt nadprzewodnictwa, nazywamy nadprzewodnikami. Obecnie znamy 24 pierwiastki
wykazujące nadprzewodnictwo. Pierwiastkiem metalicznym o najwyższej temperaturze
krytycznej jest niob. Własności nadprzewodnikowe wykazują również stopy metali, w tym
nawet stopy takich metali, które w stanie pierwiastkowym nie są nadprzewodnikami.
Temperatura krytyczna
Temperatura
Tc [K]
krytyczna Tc [°C]
Al
1,2
-271.95
In
3,4
-269,75
Sn
3,7
-269,45
Hg
4,2
-268,95
Ta
4,5
-268,65
V
5,4
-267,75
Pb
7,2
-265,95
Nb
9,3
-263,85
Metal
Tabela 1. Niektóre metale nadprzewodzące i ich temperatury krytyczne.
3. Własności nadprzewodników
Podstawową własnością nadprzewodników jest ich praktycznie zerowa rezystancja
(rezystywność) w temperaturze niższej od temperatury krytycznej (temperatury przejścia).
Podczas schładzania (oziębiania) metalu jego rezystywność maleje zgodnie z zależnością
ϱ=ϱ0+AT5
gdzie: ϱ0 -rezystywność szczątkowa pochodząca od rozproszenia elektronów na domieszkach,
A – stała, T – temperatura [K]
Zależność ta obowiązuje dla temperatur niskich, ale wyższych od temperatury krytycznej
T>Tkr. W temperaturze krytycznej następuje bardzo szybki zanik rezystywności. Zanik ten
następuje w bardzo wąskim przedziale temperatury rzędu 0.05 K.
Rysunek 1. Wykres zależności rezystancji materiału od temperatury.
Drugą ważną cechą nadprzewodników jest to, że stan nadprzewodnictwa można zniszczyć
przez przyłożenie dostatecznie silnego pola magnetycznego.
Zgodnie z dwiema powyższymi podstawowymi właściwościami nadprzewodników można
określić już wcześniej wspomnianą temperaturę krytyczną i krytyczne pole magnetyczne,
które to parametry odpowiadają przejściu fazowemu pomiędzy stanem normalnym a stanem
nadprzewodzącym.
Oznacza
to,
że
normalny
przewodnik
przechodzi
do
stanu
nadprzewodzącego, jeśli obniżymy jego temperaturę poniżej temperatury krytycznej, Tc.
Wartość temperatury krytycznej zależy od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego (Hc) i
jest maksymalna w nieobecności pola. Dla temperatur wyższych od temperatury krytycznej
nadprzewodnik przechodzi do stanu normalnego. Jednak wzrost wartości zewnętrznego pola
magnetycznego powyżej pewnej wartości także powoduje przejście do stanu normalnego.
Wartość krytycznego natężenia pola magnetycznego jest skorelowana z wartością
temperatury krytycznej. Im niższe pole magnetyczne tym wyższa temperatura krytyczna i na
odwrót im wyższa temperatura krytyczna tym niższe natężenie pola krytycznego. Podobny
wykres fazowy otrzymuje się gdy zamiast pola magnetycznego analizujemy prąd płynący w
nadprzewodniku. Jeżeli prąd wzrośnie powyżej wartości krytycznej, zależnej od temperatury,
nadprzewodnik przechodzi do stanu normalnego .
Wykres 2. Zależność krytycznego pola magnetycznego i prądu krytycznego nadprzewodników od temperatury.
Trzecią cechą nadprzewodników jest to, że pole magnetyczne zewnętrzne nie wnika do ich
wnętrza. Jest to związane z tym, że na powierzchni nadprzewodnika umieszczonego w polu
magnetycznym w temperaturze niższej od temperatury krytycznej płynie zaindukowany prąd
powierzchniowy, który wytwarza pole magnetyczne przeciwnie skierowane do pola
zewnętrznego. Wartość tego pola jest równa polu zewnętrznemu. Zjawisko to nazwane
zostało zjawiskiem Meissnera.
3. Teoria Meissnera
Dużym kamieniem milowym w badaniach zachowania się materii w ekstremalnie
niskich temperaturach było zaobserwowanie przez Waltera Meissnera i Roberta Ochsenfelda
w 1933 roku zjawiska wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika. Zjawisko to,
zwane diamagnetyzmem, w przypadku nadprzewodników nazywane jest 'efektem Meissnera'.
Po schłodzeniu normalnego metalu umieszczonego w polu magnetycznym do temperatury
niższej od temperatury krytycznej, przenikający próbkę strumień magnetyczny jest
gwałtownie wyrzucany na zewnątrz próbki.
Rysunek 2. Efekt Meissnera: Linie pola magnetycznego zostają wypchnięte z nadprzewodnika, gdy ten ma temperaturę
niższą od krytycznej.
Zjawisko Meissnera jest podstawą do określenia, czy dany przewodnik o zerowym oporze
elektrycznym jest rzeczywiście nadprzewodnikiem. Zewnętrzne pole magnetyczne o
natężeniu mniejszym od granicznego nie wnika do nadprzewodnika, natężenie pola
magnetycznego wewnątrz nadprzewodnika jest równe zero. Natężenie graniczne pola
magnetycznego zależy od materiału oraz temperatury nadprzewodnika. Jeżeli nadprzewodnik
zostanie
umieszczony
w
bardzo
silnym
polu
magnetycznym
to
przestaje
być
nadprzewodnikiem, jeżeli natężenie pola będzie się zmniejszać, to w momencie przejścia w
stan nadprzewodnictwa pole zostanie wypchnięte z nadprzewodnika. Przyczyną wypchnięcia
jest pojawienie się w powierzchownej warstwie nadprzewodnika prądu elektrycznego o takim
natężeniu, że wytworzone przez niego pole magnetyczne kompensuje wewnątrz
nadprzewodnika pole magnetyczne. Związana z tym siła utrzymać bryłkę nadprzewodnika
nad stacjonarnym magnesem - tzw. lewitacja nadprzewodnika.
Rysunek 3. Magnes lewitujący nad nadprzewodnikiem.
Tak lewitujący magnes ma dwie szczególne właściwości: może pozostawać w totalnym
bezruchu (dzięki liniom pola magnetycznego uwięzionym w defektach sieci krystalicznej) lub
wirować bez tarcia.
4. Rodzaje nadprzewodników.
Biorąc pod uwagę różne kryteria, można wydzielić różne rodzaje nadprzewodników:

nadprzewodniki I typu, w których jednorodny stan nadprzewodzący występuje w całej
objętości. Dla wszystkich wartości pól magnetycznych mniejszych od pola
krytycznego, strumień pola nie wnika do próbki. Po przekroczeniu krytycznej wartości
cała próbka przechodzi do stanu normalnego i pole wnika do całej objętości, czyli
następuje zniszczenie stanu nadprzewodzącego;

nadprzewodniki II typu charakteryzują się dwoma polami krytycznymi. W polu
magnetycznym niższym od pierwszego pola krytycznego Hc1, strumień pola
magnetycznego nie wnika do próbki – mamy do czynienia z pełnym zjawiskiem
Meissnera. Gdy pole magnetyczne przekroczy wartość Hc1, w próbce pojawia się tzw.
stan mieszany, będący współistnieniem obszarów nadprzewodzących i normalnych.
Pole magnetyczne częściowo wnika do próbki. Stan mieszany zanika, a próbka
przechodzi w stan normalny, gdy pole magnetyczne przekroczy wartość drugiego pola
krytycznego Hc2.
Rysunek 4. Zależność namagnesowania od pola magnetycznego dla nadprzewodników I i II typu.

nadprzewodniki
niskotemperaturowe,
o
temperaturze
przejścia
w
stan
w
stan
nadprzewodnictwa poniżej temperatury wrzenia ciekłego azotu (77 K);

nadprzewodniki
wysokotemperaturowe,
o
temperaturze
przejścia
nadprzewodnictwa powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu.
5. Zastosowanie nadprzewodnictwa
Zjawisko nadprzewodnictwa znalazło swoje zastosowanie między innymi w
transporcie. Stworzono kolej magnetyczną, czyli kolej dużych prędkości, w której tradycyjne
torowisko zostało zastąpione przez układ elektromagnesów. Dzięki polu magnetycznemu
kolej ta nie ma kontaktu z powierzchnią toru, gdyż praktycznie cały czas unosi się nad nim.
Do realizacji tego zadania wykorzystuje się elektromagnesy wykonane z nadprzewodników
(w Japonii) lub konwencjonalne (w Niemczech). Pojazdy mogą przez to rozwijać duże
prędkości. Dzięki zastosowaniu magnesów eliminowane jest tarcie kół, które w tradycyjnych
pociągach znacznie ogranicza maksymalną prędkość jazdy. Dzięki temu koleje magnetyczne
zbliżają się do 600 km/h.
Istnieją dwa systemy kolei magnetycznych: Maglev (z ang. magnetic levitation = „lewitacja
magnetyczna”) – technologia unoszenia elektrodynamicznego (EDS) (unoszenie przez
przyciąganie), rozwijana w Japonii; Transrapid – unoszenie elektromagnetyczne (EMS)
(unoszenie przez odpychanie), rozwijana w Niemczech. Testowe linie kolei magnetycznej
istnieją w Japonii i Niemczech, a jedyna komercyjna linia w Chinach.
Rysunek 5. Elektromagnetyczna kolej Transrapid.
Nadprzewodniki dały możliwość łatwego wytworzenia bardzo silnych pól magnetycznych.
Dzięki nim buduje się gigantyczne magnesy wytwarzające pole rzędu 106 A/m.
Nadprzewodzący
elektromagnes
stanowi
cewka
wykonana
ze
zwojów
drutu
nadprzewodzącego zanurzona w cieczy kriogenicznej, przez którą płynie prąd. Głównymi
elementami takiego elektromagnesu są: solenoid, kriostat, zasilacz. Najnowszym i bardzo
ważnym w życiu człowieka zastosowaniem dużych nadprzewodnikowych magnesów jest
metoda MRI, która umożliwia obrazowanie wnętrza ludzkiego ciała za pomocą jądrowego
rezonansu magnetycznego. Metoda ta umożliwia określenie dynamiki i koncentracji
protonów, a więc jąder wodoru, znajdujących się w wodzie zawartej w tkankach ludzkich.
Obraz ten koncentracji pozwala na niezwykle dokładne badanie ciała ludzkiego – zmiany
koncentracji i dynamiki protonów świadczą o różnych zmianach patologicznych,
zachodzących w organizmie. Stosowane w technice rezonansu magnetycznego magnesy są
tak duże, aby zmieścił się w nich wygodnie cały człowiek. Mają więc długość 2,3m, średnicę
1m i wytwarzają pole magnetyczne o indukcji do 1,5*106 A/m. Taki magnes jest chłodzony
helem i azotem, których zużycie wynosi ok. 0,4l ciekłego helu/h i 1l ciekłego azotu/h.
Magnesy te charakteryzują się wysoką jednorodnością pola magnetycznego
Rysunek 6. Aparat MRI.
Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną rosną straty przenoszenia jej
za pomocą linii przesyłowych. Nadprzewodnikowe linie mogą rozwiązać problem strat
energii. Stosowane są tzw. kriokable, w których wykorzystywane są dwa rozwiązania:
normalny kabel schładzany do niskiej temperatury lub kabel nadprzewodzący. Kabel
nadprzewodzący jest niestety bardziej skomplikowany. W obiegu takiej linii płynie ciekły hel.
Na sprężystym korpusie umieszczony jest elastyczny nadprzewodnik, który musi być
oddzielony izolacją od wewnętrznej rury prowadzącej ciekły hel. Kolejną warstwą jest
płaszcz próżniowy, w którym znajduje się ekran chłodzony odparowanym helem gazowym.
Stosowanie kabla nadprzewodzącego jest więc opłacalne, ale tylko gdy przenoszona moc jest
większa od jednego gigawata.
Nadprzewodnictwo stosowane jest także w innych dziedzinach. Konstruuje się z ich
zastosowaniem między innymi łożyska, czy tranzystory nadprzewodzące. Nadprzewodniki
stosowane są także w elektronice (interferometr SQUID) czy w urządzeniach do detekcji
promieniowania (bolometry).
6. Podsumowanie
Odkrycie
zjawiska
nadprzewodnictwa
dało
światu
dużo
możliwości.
Stosowanie
nadprzewodników jest wydajne i bezpieczne, jednak wciąż bardzo drogie, ze względu na duże
koszty utrzymywania niskich temperatur. Dlatego więc naukowcy kontynuują badania i
szukają materiałów, które będą miały możliwość utrzymania własności nadprzewodzących w
temperaturze otoczenia.
Literatura:
•
J.Stankowski, B.Czyżak „Nadprzewodnictwo” WNT, Warszawa 1994
•
http://kft.umcs.lublin.pl/doman/lectures/festiwal.pdf
•
http://info.ifpan.edu.pl/rn_ifpan/Tsarou-doktorat.pdf
•
http://www.operator.enea.pl/blog/10/nauka/2011-12-20/nadprzewodnictwo-melodiaprzyszlosci-39.html
•
http://postepy.fuw.edu.pl/zjazdy/2005-Warszawa/PF-2006-3-Domanski.pdf
•
http://www.jeybi.republika.pl/n1tajemnice_nadprzewodnictwa.html
•
http://www.iwiedza.net/materialy/m006.html
•
http://lodd.p.lodz.pl/~iowczarek/extra/historia
•
http://pl.wikipedia.org/