Süperiletkenler

1. Süperiletkenler Fizikte Özel Konular Sunu 5

2. 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.

3. İki Temel Özelliği • Elektrik akımına karşı oluşan akımın tamamen sıfırlanmasıdır (Bu durum ne işimize yarar?) • Bir süperiletkenin içine manyetik alan nüfuz edemez. Yani materyalin içi bütün manyetik kuvvetlerden korunmaktadır. (Bu durum ne işimize yarar?)

4. 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

5. Süperiletkenlik Nasıl Oluşturulur

6. Süperiletkenliğin Keşfi • 1908 yılında Heike Kamerling Onnes Helyumu sıvılaştırmayı başarmış ve 1911 yılında civanın direncinin 4,19 K de aniden sıfıra düştüğünü gözlemlemiştir.

7. Meissner Olayı • Süperiletken haldeki bir metalin içine manyetik alan yoğunluğunun asla nüfuz edemediği Meissner ve Ochsenfeld tarfından 1933 te bulundu.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Cooper Çiftlerinin Oluşumu -1

13. Cooper Çiftlerinin Oluşumu -2

14. 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.

15. 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.

16. Josephson Olayı • Farklı iki süperiletkenden yapılan bir eklemde dışarıdan voltaj uygulamada akım geçebilir (dc Josephson olayı)

17. 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.

18. 1986-Kırılma Noktası • BCS teorisi 30K sıcaklığa kadar süperiletkenlerin var olabileceğini bu sıcaklıktan sonra bulunamayacağını öngörmekte idi. • 1986 Ekim ayında Bednorz ve Müller Baryum-Lantan-Bakır-Oksit seramiğinin 35K da süperiletkenlik göstermeye başladığını bulmuşlardır. • Bu tarihten sonra Yüksek Sıcaklık Süperiletkenliği (YSS) dönemi başlamıştır.

19. Kritik Sıcaklık Rekorlarının Yıllara Göre Gelişimi • 1987 YBa2Cu3O7 95 K • 1988 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110K • 1988 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 125K • 1993 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 131 K (7GPa Basınçla) • 1994 Hg0,8Pb0,2Ba2Ca2Cu3OX 133K • 1995 Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8.33 138K

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.