840 likes | 2.17k Views
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.
E N D
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 http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/physics_at_work/2005/exhibit/images/irc1.jpg
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 iznosiomanje od 10ˉ²³ Ohma • 1913. Onnes je dobio Nobelovu nagradu Heike Kammerling Onnes http://www.kb.nl/hkc/nobel/onnes/onnes-boerhaave.jpg
Grafička usporedba: Normalni vodič Supravodič
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 svitehnološki problemi, oni će omogućiti jošznačajnije 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 YBa2Cu3O7-x, 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