Nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Zastosowania nadprzewodników starych i nowych. Koniec odkryć?

Transkrypt

1 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Zastosowania nadprzewodników starych i nowych. Koniec odkryć? 1

2 Główne nadprzewodniki Compound wysokotemperaturowe:t c T b liquid nitrogen Hg-1223 Tl-2223 Tl-1223 Bi-2223 Y-123 Bi T c (K) YBa 2 Cu 3 O 7-x Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+x (Bi,Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x TlBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9+x Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x (Y-123) (Bi-2212) (Bi-2223) (Tl-1223) (Tl-2223) (Hg-1223) Courtesy of S. Zannella, Edison - Milano Główne nadprzewodniki wysokotemperaturowe: struktura YBa 2 Cu 3 O 7 La 2-x Sr x CuO 4 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 2

3 Tlenek kobaltu dołącza do grona nadprzewodników: Na 0.35 CoO 2.1.3H 2 O*, T c ~5K 2D warstwy CoO 2 oddzielone od siebie grubymi, izolującymi warstwami jonów Na+ i molekuł H 2 O. *Nature 422,53-55 (2003) Niedomieszkowane: izolator AF Oxygen Copper 3

4 Skąd się biorą nośniki ładunku? YBa 2 Cu 3 O 6 : skład stechiometryczny, nie ma swobodnych nośników ładunku; przewodnictwo typu aktywacyjnego półprzewodnik, antyferromagnetyk. YBa 2 Cu 3 O 7 : skład niestechiometryczny, są swobodne nośniki ładunku (dziury dodatnie); przewodnictwo metaliczne Skąd się biorą nośniki ładunku? La 2 CuO 4 skład stechiometryczny, nie ma swobodnych nośników ładunku; przewodnictwo typu aktywacyjnego półprzewodnik, antyferromagnetyk. La 2-x Sr x CuO 4,, La 2 CuO 4+y skład niestechiometryczny, są swobodne nośniki ładunku (dziury dodatnie); przewodnictwo metaliczne 4

5 Skąd się biorą nośniki ładunku? Zatem, obecność swobodnych nośników ładunku wynika z: Niestechiometrycznego (albo za dużo, albo za mało) tlenu; Domieszkowania pierwiastkami o innej wartościowości; Nośnikami ładunku, w większości nadprzewodników tlenkowych są dziury; Wyjątek stanowi grupa (NdCe) 2 CuO 4, gdzie nośnikami ładunku są elektrony. Uwaga: swobodne nośniki ładunku nie znajdują się wszędzie tylko w niektórych obszarach komórki elementarnej. Skąd się biorą nośniki ładunku? HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 nadprzewodnik składa się z warstw przewodzących (najczęściej CuO 2, ale niekoniecznie) Warstwy przewodzące oddzielone są od siebie warstwami izolującymi. To one stanowią źródło nośników ładunku Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Sr 2 RuO 4 Cu + O2 Cu + O2 Cu + O2 5

6 Aby pojawiło się nadprzewodnictwo, ilość dziur (elektronów) musi być optymalna. Jeszcze jedna różnica pomiędzy starymi a nowymi nadprzewodnikami: symetria funkcji falowej. e - e - 6

7 Pola krytyczne niektórych nadprzewodników wysokotemperaturowych: Prąd krytyczny BSCCO Duża anizotropia - problem Jc of Bi-2223 tapes from magnetisation technique. Data from L. Martini, CESI, Milano 7

8 Prąd krytyczny. Prąd krytyczny bardzo zależy od mikrostruktury. Mikrostruktura, z kolei, zależy od technologii wytwarzania materiału. Porównanie YBaCuO i BiSrCaCuO w 77 K J 77 K K Bi-2223/Ag tapes > 0.2 km Jop=0.6 Jt Jt=Ic/At Jc=Ic/Asc optimal properties for power cables YBCO coated tapes < 1 m Courtesy of S. Zannella, Edison, Milan J (A/cm 2 ) 8

9 Zastosowania nadprzewodników nowych i starych Zastosowania nadprzewodników nowych i starych Przewody nadprzewodzące; Elektromagnesy; Generatory i silniki; Pomiar pola magnetycznego; Zastosowania w zakresie mikrofal: falowody, rezonatory, anteny, filtry; 9

10 Kable przesyłowe Korzyść z zerowego oporu jest oczywista, ale problemem jest chłodzenie kabla nadprzewodzącego: jest to kosztowne i technicznie trudne. Mimo to, istnieją już próbne instalacje: od 2001 Carrollton, Georgia - 3 instalacje; Kopenhaga klientów 2002 Tokio trzeci projekt Detroit, Michigan klientów; Paryż, Francja Straty w kablach nadprzewodzących Straty AC (zmiennoprądowe); Ciepło Joule'a (I 2 R) w połączeniach między przewodami; Straty dielektryczne; Straty na przewodnictwo cieplne; Straty przy pompowaniu cieczy chłodzącej; 10

11 Przewody nadprzewodzące:1967 >100 GW dc, >1000 km! Przewody nadprzewodzące Wytwarzanie przewodów nadprzewodzących (Nb 3 Sn). Wytwarza się je umieszczając Nb w brązie (Cu-Sn) i następnie wyciągając włókna. Następnie, w czasie wygrzewania Nb reaguje z Sn dając Nb 3 Sn, Samo Nb 3 Sn nie może być wyciągane w postaci włókien, ponieważ jest kruche. 11

12 Przewody nadprzewodzące Przewody nadprzewodzące. Ekranowane i nieekranowane przewody nadprzewodzące 12

13 Jedna z metod wytwarzania kabli nadprzewodzących (BSCCO). Ta metoda jest jedyną, która pozwala wytwarzać długie przewody. Można ją stosować tylko do nadprzewodników bizmutowych. Przewody z YBCO Warstwa YBCO (< 1 micron) nanoszona jest jakąś metodą na podłoże. YBCO Warstwa zorientowana podłoże - J c = A/cm 77 K; długość < 1 m. - Good 77 K in magnetic field up to 5 T. 13

14 Wizja super-miasta przyszłości Supermarket School Home H 2 Family Car Nuclear plant DNA-to-order.com H 2 MgB 2 National Climate Change Technology Initiative (NCCTI Necktie ) Absolutely Zero GHG Emissions by 2050 George W. Bush Najbardziej już rozpowszechnione zastosowanie nadprzewodników (niekoniecznie wysokotemperaturowych) to wytwarzanie i pomiar pola magnetycznego. 14

15 Elektromagnesy. Aby wytworzyć pole magnetyczne o indukcji 9T potrzebny jest prąd 13000A! W normalnym drucie wydzieli się przy tym olbrzymia ilość ciepła: Chłodzenie; Wielkie straty energii; Wielkie problemy konstrukcyjne. JEDYNE ROZWIĄZANIE TO NADPRZEWODNIKI Pole krytyczne i prąd krytyczny Zwykły przewodnik Nadprzewodnik Nadprzewodnik Pole magnetyczne Stan z worteksami (stan mieszany) Całkowite wypychanie pola Temperatura Temperatura krytyczna 15

16 Jak zachowuje się nadprzewodnik w stanie mieszanym? Worteksy mogą się poruszać N Ruch worteksów powoduje straty energii Prąd Pojawia się opór R=0 Pole krytyczne. Wszystkie nadprzewodniki o znaczeniu praktycznym są nadprzewodnikami II rodzaju. Pole magnetyczne Worteksy nie ruszają się Ruch worteksów Linia nieodwracalności (irreversibility line) Zwykły przewodnik Pole nie wnika Temperatura 16

17 Jak unieruchomić worteksy? Wprowadzając defekty Elektromagnesy. Stare nadprzewodniki stosuje się już w tym celu od kilkudziesięciu lat SC Nb-Ti Nb 3 Sn Indukcja 8 [T] 17 [T] 17

18 Elektromagnesy. Nowe nadprzewodniki zbyt szybko nie wyprą z rynku starych, ale.. Cryocooled magnet capable of 8 T at 8 K (left) and a series of them, with different size and fields (max 15 T), ready to be shipped. Courtesy of Cryogenic Ltd, London Zastosowania elektrotechniczne 1,E+07 Jc (A/ cm 2 ) 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E Bi-2223 a 77 K YBCO a 77 K NbTi a 4,2 K Bi-2223 a 4,2 K Nb 3 Sn a 4,2 K B (T) 1 cavi, limitatori trasformatori 2 motori,generatori, RM 3 SMES 18

19 Precyzyjny pomiar indukcji pola magnetycznego: SQUID Superconducting Quantum Interference Device SQUID SQUID jest to pierścień złożony z dwóch nadprzewodników przedzielonych warstwami izolatora. Złącza (warstwy izolatora) są bardzo cienkie i prąd nadprzewodzący może przez nie tunelować. Do wnętrza pierścienia może wnikać pole magnetyczne (tylko kwanty strumienia=fluksony). 19

20 SQUID Zmiana pola magnetycznego wewnątrz pierścienia powoduje zmianę płynącego prądu. SQUID Zastosowania: medycyna, geofizyka i geologia i wszelkie dziedziny, gdzie trzeba mierzyć słabe pole magnetyczne. 20

21 Falowody, rezonatory, anteny Urządzenia tego typu są już stosowane. Również filtry stosowane w stacjach bazowych telefonów komórkowych. Zastosowania w elektronice. Tranzystor polowy; Pamięci; Rozmaite szybkie przełączniki; 21