Nove tehnologije u elektroenergetici Supravodljivost Pripremio: Prof. Dr. Kemo Sokolija

1. David Pines-founding director of the Institute for Complex Adative Matter: “Supravodljivost je možda najizuzetnije svojstvo svemira. ” Nove tehnologije u elektroenergeticiSupravodljivostPripremio: Prof. Dr. Kemo Sokolija

2. Nove tehnologije u elektroenergeticiSupravodljivostPripremio: Prof. Dr. Kemo Sokolija David Pines-founding director of the Institute for Complex Adative Matter: “Supravodljivost je možda najizuzetnije svojstvo svemira. ”

3. Nove tehnologije u elektroenergeticiSupravodljivostPripremio: Prof. Dr. Kemo Sokolija David Pines-founding director of the Institute for Complex Adative Matter: “Supravodljivost je možda najizuzetnije svojstvo svemira. ”

4. Nove tehnologije u elektroenergeticiSupravodljivostPripremio: Prof. Dr. Kemo Sokolija David Pines-founding director of the Institute for Complex Adative Matter: “Supravodljivost je možda najizuzetnije svojstvo svemira. ”

5. Sadržaj • Historija supravodljivosti i prvih fenomenoloških teorija kojesu dovele do opisa supravodljivog stanja. • Opis mikroskopskih kvantno-mehaničkih osnova supravodljivosti uvodeći koncept parova elektrona koji dovodi do BCS teorije. • Supravodljivost kao manifestacija makroskopske kvantne mehanike i implikacije na supravodljive uređaje, kao što su SQUIDS. • Pregled osnovnih vrsta supravodljivih materija. Lecture 1

6. 1913 Otkriće supravodljivosti Otkrivena 1911. od strane Kammerlingha Onnesatokom prvih mjerenja na niskim temperaturama u atmosferi tečnog helija. Eksperimentirajući s“čistom “ živom on je ustanovio da njen električni otpor pada na nulu kod4.2K. 1912. Onnes je ustanovio da se otporno stanje ponovno uspostavlja u magnetskom polju ili kod velikih vrijednosti struja. Lecture 1

7. Fe (željezo) Tc=1K (na 20GPa) Nb (Niobij) Tc=9K Hc=0.2T Temperature prijelaza (K) i kritična polja su generalno niska Metali sa najvećom vodljivošću nisu supravodiči Magnetski 3-d elementi nisu supravodiči ...tako smo mislili do 2001 godine Supravodljivielementi Temperatura prijelaza u supravodljivo stanje (K) Kritična magnetska polja na apsolutnoj nuli (mT) Lecture 1

8. HgBa2Ca2Cu3O9 (pod pritiskom) 160 140 HgBa2Ca2Cu3O9 TlBaCaCuO 120 BiCaSrCuO 100 YBa2Cu3O7 Temperatura prijelaza u supravodljivo stanje Temperatura tečnog azota (77K) 80 60 40 (LaBa)CuO Nb3Ge Nb3Sn NbN 20 NbC Nb Pb Hg V3Si 1910 1930 1950 1970 1990 Supravodljivost legura i oksida Lecture 1

9. specifični otpor “nečisti metal” T Rezidualnaootpornost T5 “idealni metal” temperatura Otpor nula? • Struju u metalu nose slobodni vodljivi elektroni – tj. ravni valovi. • Ravni valovi mogu putovati kroz idealnu periodičku strukturu bez rasipanja... ...ali na konačnim temperaturama fononi razaraju periodičnost i dovode do otpora • Čak i na T=0, defekti kao što su granice zrnaca, šupljine, čak i površinska udubljenja dovode do rezidualne otpornosti • Čisti bakar,naprimjer, ima otpornost na sobnoj temperaturi od 2cm, a rezidualnu otpornost od 210-5 cm na 4.2 K... ... Tipični Cu uzorak ima otpor od samo 210-11  na 4.2K Lecture 1

10. Otpor nula? • Struju u metalu nose slobodni vodljivi elektroni – tj. ravni valovi. • Ravni valovi mogu putovati kroz idealnu periodičku strukturu bez rasipanja... ...ali na konačnim temperaturama Fononi razaraju periodičnost i dovode do otpora • Čak i na T=0, defekti kao što su granice zrnaca, šupljine, čak i površinska udubljenja dovode do rezidualnog otpora • Čisti bakar,naprimjer, ima otpor na Sobnoj temperaturi od 2cm, a rezidualni otpor od 210-5 cm na 4.2 K... ... Tipični Cu uzorak ima otpor od samo 210-11  na 4.2K Lecture 1

11. Otpor nula? Da li je otpor čistog bakra zaista tako mali da između bakra i supravodiča postoji tako velika razlika? Uzmimo jedan elektromagnet koji se sastoji od kalema čiji je dijametar 20 cm sa 10 000 zavojaka žice 0.3mm x 0.3mm od čistog bakra. R300K = 1 k R4.2K= 0.01  Propustimo li kroz kalem struju od 20 A, imat ćemo: P300K = 0.4MW P4.2K= 4 W Na temperaturi od 4.2K to je više nego dovoljno da izazove ključanje tečnog helija kao rashladnog medija. Lecture 1

12. To se čini injektiranjem struje u petlju načinjenu od supravodiča. Struja stvara magnetsko polje, a intenzitet tog polja se mjeri u funkciji vremena. i B Mjerenje nultog otpora Možemo li odrediti gornji limit za otpor supravodiča? To omogućuje da se izmjeri vremenska konstanta efektivnog R-L kruga. Koristeći ovu tehniku, tokom dvije godine nije opažena nikakva promjena struje: sc  10-24.cm !! Lecture 1

13. BA Mjerenje nultog otpora U praksi se supravodljivi prsten hladi ispod kritične temperature Tc u uniformnom magnetskom polju čija je gustoća toka jednaka BA. Ako je površina prstena jednaka A, magnetski tok koji prolazi kroz petlju iznosit će: Promjenimo sada BA : prema Lenzovom zakonu, potečiće struja koja se suprostavlja toj promjeni, tako da je: ems U “normalnoj petlji” član Ri brzo “ubija” struju, ali ako je R=0imat ćemo: Prema tome, Li+ABA = const (=ukupni tok u petlji) Struja će zauvjek teči u prstenu kako bi održala polje u petlji. To znači: ako je R=0 struja će zauvjek teči!! Lecture 2

14. ems i zauvijek Dakle ako je R=0 struja ćezauvijek teči !! Mjerenje nultog otpora Ako je površina prstena jednaka A, fluks koji prolazi kroz petlju iznosi: Promijenimo BA: prema Lenzovom zakonu, kroz prsten će proteći struja koja će se suprostaviti, toj promjeni: U “normalnoj” petlji, članRibrzo “ubija”struju.Ali ako jeR=0 Struje će teći kako bi održala polje u petlji…. Prema tomeLi+ABA = konstant (=ukupni fluksu petlji)

15. Ako je i Ri = 0 imat ćemo: Li+ABA = const (=ukupni tok u petlji) …..i posljedica Magnetski tok u supravodljivoj petlji mora ostati konstantan bez obzira na to što se polje mijenja. Prema tome, ako se petlja ohladi do supravpdljivog stanja kroz prsten će morati teći supravodljiva struja kako bi održala na nuli ukupni magnetski tok koji prolazi kroz petlju Dakle, supravodljivi cilindar pruža idealno magnetsko ekraniziranje Meissnerov ekran Lecture 2