Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz ich wykorzystanie. Anna Rutkowska IMM sem. 2 mgr

Transkrypt

1 Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz ich wykorzystanie Anna Rutkowska IMM sem. 2 mgr Gdańsk, 2012

2 Spis treści: 1. Nadprzewodnictwo Efekt Meissnera Lewitacja Zastosowanie Kolej magnetyczna Bibliografia...8 2

3 1. Nadprzewodnictwo Nadprzewodnictwo to taki stan materiału, w którym następuje całkowity zanik oporu elektrycznego (rezystancji). Materiał w tym stanie staje się doskonałym diamagnetykiem. Materiał w stanie nadprzewodzącym nazywany jest nadprzewodnikiem. Wyróżniamy nadprzewodniki: o niskotemperaturowe - są to materiały, których temperatura przejścia w stan nadprzewodnictwa jest niższa od temperatury ciekłego azotu (<77K) o wysokotemperaturowe - są to materiały, których temperatura przejścia w stan nadprzewodnictwa jest wyższa od temperatury ciekłego azotu (>77K) Są to na przykład tlenki miedzi o strukturze krystalicznej typu perowskitu (kryształ perowskitu widoczny jest na zdjęciu obok). Rys. 1 Kryształ perowskitu. Diamagnetyzm zjawisko polegające na indukcji w ciele znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. Nadprzewodniki dzielimy na (Rys. 2): o I rodzaju do wartości krytycznej namagnesowanie rośnie wprost proporcjonalnie do wartości indukcji magnetycznej. Indukcja wzrośnie powyżej wartości krytycznej materiał przechodzi natychmiast ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego. Brak stanu mieszanego. o II rodzaju namagnesowanie początkowo rośnie tak jak poprzednio aż do wartości B kr1, następnie zaczyna maleć i osiąga wartość zerową, co odpowiada przejściu do stanu normalnego, po przekroczeniu przez indukcję wartości B kr2. W zakresie indukcji pomiędzy B kr1 i B kr2 istnieje stan mieszany. Rys. 2 Wykresy namagnesowania nadprzewodnika I rodzaju (górny) i II rodzaju (dolny). 3

4 Parametry odpowiadające za przejście ze stanu normalnego do nadprzewodzącego: Temperatura krytyczna Krytyczne pole magnetyczne Z wykresu wynika, że normalny przewodnik przechodzi do stanu nadprzewodzącego jeśli obniżymy jego temperaturę poniżej temperatury krytycznej, T c, Wartość temperatury krytycznej zależy od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego ( H c ) i jest maksymalna w nieobecności tego pola. T>Tc stan normalny materiału, wzrost zewnętrznego pola magnetycznego również powoduje przejście materiału do stanu normalnego. Krytyczne natężenie pola magnetycznego i temperatura krytyczna są skorelowane. Im niższe pole magnetyczne tym wyższa temperatura krytyczna i na odwrót im wyższa temperatura krytyczna tym niższe natężanie pola krytycznego. Rys. 3 Diagram fazowy przejścia ze stanu nadprzewodzącego do normalnego stanu materiału. Materiały przechodzące w stan nadprzewodzący: Materiały przechodzące w stan nadprzewodzenia w niskich temperaturach: rtęć, kadm, ołów, cynk, cyna, glin, iryd, platyna i inne Tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem: tlen, fosfor, żelazo, siarka, german, lit, itp. Cienkie warstwy: wolfram, beryl,chrom. Nie osiągnięto efektu nadprzewodzenia: srebro, miedź, złoto, gazy szlachetne, wodór. Istnieją nadprzewodniki konwencjonalne czyli takie, które dają się dobrze opisać teorią BCS oraz nadprzewodniki niekonwencjonalne nie posiadające teorii tłumaczącej ich właściwości. Teoria BCS mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa zakładająca, że nośniki ładunków w przewodnikach (fermiony) mogą łączyć się w pary (pary Coopera), które są bozonami i podlegają kondensacji Bosego- Einsteina. Natomiast skondensowane pary potrafią bezoporowo poruszać się we wnętrzu nadprzewodnika. 4

5 2. Efekt Meissnera Efekt Meissnera to zjawisko polegające na całkowitym wypychaniu pola magnetycznego z nadprzewodnika. Może być stosowany do odróżniania nadprzewodników od przewodników o zerowym oporze. Zewnętrzne pole magnetyczne o natężeniu mniejszym od granicznego nie wnika do nadprzewodnika, z wyjątkiem cienkiej warstwy przypowierzchniowej nadprzewodnika (grubość tej warstwy to głębokość wnikania Londonów), natężenie pola magnetycznego wewnątrz jest równe zero. 2.1 Lewitacja Zewnętrzne pole magnetyczne o natężeniu mniejszym od granicznego nie wnika do nadprzewodnika, z wyjątkiem cienkiej warstwy przypowierzchniowej. Przyczyną wypychania pola magnetycznego jest pojawienie się w powierzchownej warstwie nadprzewodnika prądu elektrycznego o takim natężeniu, że wytworzone przez niego pole magnetyczne kompensuje pole magnetyczne wewnątrz nadprzewodnika. Związana z tym siła może utrzymać bryłkę nadprzewodnika nad stacjonarnym magnesem zjawisko lewitacji nadprzewodnika. Lewitujący w ten sposób nadprzewodzący magnes może pozostawać w bezruchu (dzięki liniom pola magnetycznego uwięzionym w defektach sieci krystalicznej) lub wirować. Podczas wypchnięcia pola magnetycznego próbka wytwarza pole kompensujące, a siła z tym związana może utrzymać bryłkę nad magnesem. Rys. 4 i 5 Zjawisko lewitacji 5

6 3. Zastosowanie Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera mogą zostać wykorzystywane do: o budowy silnych magnesów i elektromagnesów nadprzewodzących, w których prąd elektryczny porusza się niemal dowolnie długo. Pociąga to za sobą szanse na wytwarzanie bardzo dużych pól magnetycznych (głównie akceleratory). o Konstruowania wydajnych systemów analitycznych, znajdujących zastosowanie m.in. w chemii, biologii i medycynie. o Możliwości produkcji bardzo pojemnych pamięci komputerowych i elektronicznych o Wytwarzania aparatury przydatnej w przeprowadzaniu procesu elektrolizy o Budowy przewodów oraz kabli służących do wydajnego, bezstratnego transportu prądu o Systemów przeciwzwarciowych, układów ograniczających prądy zwarcia w sieciach. o Tworzenia złączy Josephsona efekt polega na tunelowaniu elektronów między dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik - izolator - nadprzewodnik. Rys. 6 Zastosowanie nadprzewodnictwa i efektu Meissnera (akcelerator, złącze Josephsona, przewody elektryczne, złącza elektroniczne). 6

7 3.1 Kolej magnetyczna Ze względu na wysokie koszty utrzymania nadprzewodników w niskiej temperaturze, stosowane są one prawie wyłącznie w celach naukowych, a jedynym ich zastosowaniem komercyjnym jest kolej magnetyczna dużych prędkości pozwalająca na bardzo szybkie przemieszczanie się na duże odległości. Pierwszy publicznie dostępny Maglev został otwarty w 1984 w Birmingham. Został zamknięty ze względu na dużą zawodność linii i wysokie koszty napraw. Drugą w świecie linią komercyjną był berliński M-Bahn (Magnetbahn), istniejący w latach Również przestał istnieć z powodu zbyt dużych kosztów, choć oficjalnie zakończono testy nad tą linią. Mimo, że wyszły pozytywnie, linii nie przywrócono na stałe. Od 2003 istnieje w Szanghaju najdłuższa na świecie trasa kolei magnetycznej Transrapid zbudowana przez niemiecką firmę Transrapid International. Długość trasy wynosi około 30 km, pokonywana jest w 7 minut i 20 sekund. Pociąg rozwija maksymalną prędkość 431 km/h. Obecnie jest to jedyna kolej magnetyczna na świecie przewożąca pasażerów. Rys. 7 Szanghaj, kolej Transrapid Rys. 8 testowa kolej magnetyczna, Lathen, Niemcy 7

8 Bibliografia ska_i_zastosowania_praktyczne.html 8