LEWITACJA MAGNETYCZNA Z WYKORZYSTANIEM ZJAWISKA NADPRZEWODNICTWA

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "LEWITACJA MAGNETYCZNA Z WYKORZYSTANIEM ZJAWISKA NADPRZEWODNICTWA"

Irena Kujawa
7 lat temu
Przeglądów:

1 LEWITACJA MAGNETYCZNA Z WYKORZYSTANIEM ZJAWISKA NADPRZEWODNICTWA Prof. nz. dr hab. inż. Antoni Cieśla, AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA Wydział EAIiIB Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki

2 Agenda wykładu: 1. Krótki rys historyczny 2. Nadprzewodnictwo - cechy charakterystyczne, - przykłady zastosowań 3. Lewitacja magnetyczna EKSPERYMENT

3 PRZEWODNIKI I ICH REZYSTANCJA

7 REZYSTANCJA PRZEWODNIKÓW R DOBRA (spełnia użyteczną rolę) ZŁA (powoduje dyssypację energii)

Dwóch profesorów Uniwersytetu Jagiellońskiego Zygmunt Florenty Wroblewski (1845-1888) Karol Olszewski (1846-1915)

8 Dwóch profesorów Uniwersytetu Jagiellońskiego Zygmunt Florenty Wroblewski ( ) Karol Olszewski ( ) przewidziało obniżenie rezystancji metali w ekstremalnie niskich temperaturach. Zostało to udokumentowane w 1880 roku 8 8

9 W 1884, w Laboratorium Uniwersytetu Jagiellońskiego Olszewski był pierwszym naukowcem, który skroplił tlen, uzyskując ekstremalnie niską jak na owe czasy temperaturę -225 C (48 K). W 1895 skroplił argon. Niestety, nie udało mu się skroplić helu. 9 9

10 PIERWSZE ODKRYCIA: KAMERLINGH ONNES W 1908 roku Kamerlingh Onnes otrzymał skroplony hel (4,2 K). Heike Kamerlingh Onnes na początku XX wieku, pracował w Laboratorium Niskich Temperatur, w Leidzie (Holandia). Zajmował się badaniem przewodnictwa metali w niskich temperaturach

11 Heike Kamerlingh Onnes W 1911 roku podczas badań rtęci w temperaturach helowych, otrzymał niemierzalnie małe wartości oporu, oraz brak wydzielania się ciepła przy przepływie prądu elektrycznego. superconductivity W 1913 roku otrzymał nagrodę Nobla za swoje badania. 11

12 104 lata NADPRZEWODNICTWA

13 Pierwsza cecha nadprzewodników: ZEROWA REZYSTANCJA (nie ma dyssypacji energii!!)

14 Rezystancja rtęci w funkcji temperatury

15 R NADPRZEWODNIK Metal rzeczywisty Metal idealnie czysty R r 0 T c 1/3 T D T [K]

16 Druga cecha nadprzewodników: DOSKONAŁY DIAMAGNETYZM (doskonałe ekranowanie od pól magnetycznych)

Nadprzewodnik umieszczony w polu magnetycznym magnesu może wówczas unosić się, lewitować nad magnesem.

17 BADANIA MEISSNERA OCHSENFELDA Drugą cechą nadprzewodników, która według fizyków jest uznawana za bardziej wiarygodną do uznania nadprzewodnictwa, jest wypychanie nadprzewodników z pola magnetycznego. Nadprzewodnik umieszczony w polu magnetycznym magnesu może wówczas unosić się, lewitować nad magnesem. Efekt ten został odkryty przez niemieckich fizyków Waltera Meissnera i Roberta Ochsenfelda w 1933 roku Walter Meissner

18 EFEKT MEISSNERA OCHSENFELDA

19 TEORIA BARDEEN A COOPER A SCHRIFFER A John Bardeen, Leon N. Cooper, John R. Schrieffer Amerykańscy fizycy w 1957 r opublikowali pierwszą mikroskopową teorie opisującą nadprzewodnictwo, nazwaną teorią BCS od inicjałów autorów. Za teorie BCS fizycy w 1972 zostali wyróżnieniu nagrodą Nobla

TEORIA BARDEEN A COOPER A SCHRIFFER A Teoria BCS w oparciu o prawa mechaniki kwantowej, przypisuje elektronom własności falowe, stanowią one zatem zbiór nie cząstek, lecz fal elektronowych.

20 TEORIA BARDEEN A COOPER A SCHRIFFER A Teoria BCS w oparciu o prawa mechaniki kwantowej, przypisuje elektronom własności falowe, stanowią one zatem zbiór nie cząstek, lecz fal elektronowych. Zbiór tych fal w niskiej temperaturze porusza się w metalu bez przeszkód. Elektrony mające połówkowe spiny, łączą się w pary (pary Coopera), układ ma całkowity spin, czyli para Coopera jest bozonem. Elektrony tworzące parę Coopera są opisywane przez funkcje falowe e fonon e

21 PARY COOPERA Ruch pary Coopera w sieci

22 Trzecia cecha nadprzewodników: TUNELOWANIE ELEKTRONÓW (zastosowanie w układach superszybkiego przełączania)

Zjawisko to nazwano od nazwiska autora Efektem Josephsona Za tą teorie w 1973 roku został wyróżniony nagrodą Nobla.

23 Efekt Josephsona Braian Josephson W 1962 roku Braian Josephson opisał efekt tunelowania elektronów między dwoma nadprzewodnikami. Zjawisko to nazwano od nazwiska autora Efektem Josephsona Za tą teorie w 1973 roku został wyróżniony nagrodą Nobla. Efekt ten polega na tunelowaniu elektronów między dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik (tzw. złącze Josephsona). Nadprzewodniki rozdzielone są cienką warstwą wykonaną z dielektryka (izolatora)

24 TEMPERATURY KRYTYCZNE NADPRZEWODNIKÓW METALICZNYCH związek T C [K] Rok odkrycia Hg Pb Nb NbN V 3 Si Nb 3 Sn NbAlGe Nb 3 Ge

ODKRYCIE MÜLLERA I BEDNORZA Alex Müller Georg Bednorz W kwietniu 1986 roku Alex Műller i George Bednorz opublikowali pracę, w której opisali nadprzewodnictwo mieszanego tlenku lantanu,

25 ODKRYCIE MÜLLERA I BEDNORZA Alex Müller Georg Bednorz W kwietniu 1986 roku Alex Műller i George Bednorz opublikowali pracę, w której opisali nadprzewodnictwo mieszanego tlenku lantanu, baru i miedzi (La 1,85 Ba 0,15 CuO 4 ) w temperaturze 35 K Przełamali temperaturę krytyczną 23,2 K dla Nb 3 Ge Za to odkrycie zostali wyróżnieni w 1987 roku nagrodą Nobla

26 ODKRYCIE MÜLLERA I BEDNORZA 29 lat od odkrycia nadprzewodników wysokotemperaturowych (LTS)

27 ODKRYCIE MÜLLERA I BEDNORZA Alex Müller Georg Bednorz

28 PARAMETRY KRYTYCZNE PODSTAWOWYCH NADPRZEWODNIKÓW TECHNICZNYCH NbTi Nb 3 Sn HTS T c (K) B c2 (T) J c (A. mm -2 )

29 OBSZAR OGRANICZENIA NADPRZEWODNICTWA WYNIKAJĄCY Z CHARAKTERYSTYK NADPRZEWODNIKÓW

30 ZASTOSOWANIE NADPRZEWODNICTWA ELEKTROMAGNESY NADPRZEWODNIKOWE SEPARACJA MAGNETYCZNA, MEDYCYNA, FIZYKA (CYKLOTRONY, SYNTEZA JĄDROWA, SMES ELEKTRONIKA (efekt Josepshona) METROLOGIA (SQUID) ELEKTROENERGETYKA NADPRZEWODNIKOWE OGRANICZNIKI PRĄDOWE GENERATORY I SILNIKI Z UZWOJENIAMI NADPRZEWODNIKOWYMI TRANSFORMATORY NADPRZEWODNIKOWE KABLE ELEKTROENERGETYCZNE SMES LEWITACJA MAGNETYCZNA ŁOŻYSKA MAGNETYCZNE

31 NADPRZEWODNIKI KLASYCZNE NbTi Nb 3 Sn

32 NADPRZEWODNIKI WYSOKOTEMPERATUROWE (HTS) (TAŚMY) Warstwy przewodu Y-123

33 ELEKTROMAGNES NADPRZEWODNIKOWY W AGH (WYDZIAŁ EiP)

34 ZASTOSOWANIA NADPRZEWODNIKÓW Cewki służące do generowania pola magnetycznego wykorzystywanego do Rezonansu Magnetycznego

35 ZASTOSOWANIA NADPRZEWODNIKÓW Cewki w akceleratorach np. Large Hadron Collaider

36 We need extreme conditions At 200 million ºC, Matter becomes a plasma 36 Picture courtesy of the SOHO/EIT collaboration

37 Large hadron collider LHC 6000 superconducting magnets will accelerate proton beams in opposite directions around a 27 km-long ring and smash them together at energies bordering on 14 TeV. 37

38 ZASTOSOWANIA NADPRZEWODNIKÓW Energetyka zawodowa: - uzwojenia generatorów

39 TRANSFORMATOR NADPRZEWODNIKOWY izolatory przepustowe niskiego i wysokiego napięcia ciekły azot uzwojenie pierwotne i wtórne z nadprzewodnika HTS rdzeń stalowy zbiorniki z włókna szklanego na ciekły azot

40 KONCEPCJA NOWEJ SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ

41 LEWITACJA od łacińskiego słowa LEVITAS (lekkość): UNOSZENIE SIĘ

42 Fot. A. Cieśla

43 Efekt Meissnera jest podstawą lewitacji magnetycznej (łac. levitas lekkość) czyli unoszenie lub podwieszenie ciał ferromagnetycznych pod wpływem pola magnetycznego magnesów trwałych lub elektromagnesów

44 Linie sił pola magnetycznego (poduszka magnetyczna) Nadprzewodnik Magnes

45 YBCO DYSKI NADPRZEWODZĄCE Dyski nadprzewodzące

47 BUDOWA POCIĄGU PORUSZAJĄCEGO SIĘ NA PODUSZCE MAGNETYCZNEJ magnes unoszący magnes kierujący uzwojenie silnika stator

48 The Yamanashi MLX01 MagLev train W grudniu 2003 r. pociąg w testach osiągnął 581 km/h

International Airport in Shanghai, China.

49 Magnetic-levitation (MAGLEV) is an application A Sino-German maglev is currently operating over a 30-km course at Pudong International Airport in Shanghai, China. A maglev train arrives at a station in Shanghai April 15, (newsphoto) 49 49

Magnetic-levitation (MAGLEV) is an application TOKYO, Japan, May 30, 2011 (ENS) - The Japanese government has signalized Central Japan Railway "to proceed with construction" of its magnetically

50 Magnetic-levitation (MAGLEV) is an application TOKYO, Japan, May 30, 2011 (ENS) - The Japanese government has signalized Central Japan Railway "to proceed with construction" of its magnetically levitated (maglev) train line between Tokyo, Nagoya and Osaka. At 505 km/h the maglev trains will cover the distance between Tokyo and Nagoya in about 40 minutes. When the line is completed, the maglev trains will travel the distance between Tokyo and Osaka (514 km) in 67 minutes. The maglev trains are expected to start carrying passengers between Tokyo and Nagoya in 2027 and between Tokyo and Osaka in International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering -ISEF2011 September 1-3, 2011 Funchal, Madeira, Portugal

51 51 Fot. A. Cieśla

52 NADPRZEWODNIK TOR MAGNETYCZNY

53 53 DZIĘKUJĘ ZAUWAGĘ Fot. A. Cieśla

Podobne dokumenty

Nadprzewodnikowe zasobniki energii (SMES)

Nadprzewodnikowe zasobniki energii (SMES) Superconducting Magnetic Energy Storage dr hab. inŝ. Antoni Cieśla, prof. n. Wydział EAIiE Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki Agenda wystąpienia: 1. Gromadzenie