Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz ich wykorzystanie. Aleksandra Galikowska IMM, sem.2, st.ii
Spis treści 1. Wstęp, historia... 3 2. Nadprzewodnictwo... 4 3. Własności nadprzewodników... 5 3. Teoria Meissnera... 7 4. Rodzaje nadprzewodników.... 8 5. Zastosowanie nadprzewodnictwa... 9 6. Podsumowanie... 11 Literatura:... 12
1. Wstęp, historia Przygoda z nadprzewodnictwem zaczęła się dzięki odkryciu umiejętności skraplania gazów, które wcześniej uważane były za gazy trwałe. Najpierw (1799r, M. van Muram) udało skroplić się amoniak. Później w 1823r. Faraday skroplił chlor i dwutlenek węgla, poddane zewnętrznemu ciśnieniu w temperaturze pokojowej. Skroplono także tlen (Wróblewski i Olszewski) i wodór (James Dewar). Było to dla H. Kemerlinga-Onnes bodźcem do założenia dużego centrum badań kriogenicznych w Lejdze. Zaczęto tam na dużą skalę korzystać ze skonstruowanych przez Jamesa Dewara naczyń kriogenicznych, nazywanych dziś diuarami, czyli naczyń szklanych, o podwójnych ściankach, posrebrzanych od zewnątrz. Przestrzeń między ściankami była dokładnie opróżniona z powietrza, dzięki czemu naczynie ograniczało wymianę ciepła z otoczeniem. Właśnie w Lejdze w 1908 roku Kamerlingh-Onnes skroplił hel. Umożliwiło to kolejne badania własności materii w niskich temperaturach. Dzięki swojemu wcześniejszemu dokonaniu, skropleniu helu, był jedynym wówczas na świecie człowiekiem, który dysponował ciekłym helem i możliwością badań w tak niskiej temperaturze. Do swych badań wybrał rtęć. Ku jego zaskoczeniu opór rtęci zamiast stopniowo zmieniać się wraz z temperaturą, w pobliżu temperatury równej 4,3K gwałtownie spadł, a w temperaturze 4,23K w ogóle zniknął. Oznaczało to, że prąd płynął przez rtęć bez najmniejszych strat, tak jakby rtęć nagle straciła swą oporność elektryczną. Odkrycie to uznano za jedno z największych w historii fizyki. Tego najsłynniejszego odkrycia dokonał w 1911 roku. Badając rtęć, cynę, ołów i inne metale stwierdził, że w pewnej temperaturze opór elektryczny nagle zanika, jednak nie potrafił wyjaśnić tego zjawiska, ale doskonale zdawał sobie sprawę z jego znaczenia. Uznał, że zanik oporności sygnalizuje nowy stan materii i nazwał to zjawisko supraprzewodnictwem. Już w dwa lata po tym odkryciu, czyli w 1913 roku Holenderski naukowiec otrzymał Nagrodę Nobla. Przez dziesiątki lat nadprzewodnictwo było tylko zwykłą ciekawostką bez perspektywy praktycznego zastosowania. Trzema barierami w zastosowaniu nadprzewodnictwa były: silne pole magnetyczne, wysoka temperatura i silne prądy. Przekroczenie przez każdy z tych czynników pewnej niewielkiej wartości krytycznej prowadziło do zaniku nadprzewodnictwa. Jako pierwsi podjęli problem badacze niemieccy w laboratorium Waltera Meissnera i już w latach 30 uzyskali nadprzewodniki o temperaturze krytycznej równej 10K. W 1933 roku Walther Meissner & Robert Ochsenfeld odkryli też bardzo ważną właściwość, że pole magnetyczne jest wypychane z nadprzewodnika, a nadprzewodnik jest idealnym diamagnetykiem.
Istotę zjawiska nadprzewodnictwa wyjaśnili teoretycznie dopiero w 1957 roku fizycy J. Bardeen, L. Cooper i J.R. Schrieffer. Teoria BCS, nazwana od nazwisk twórców, zyskała ogromne uznanie, którego efektem było przyznanie jej autorom nagrody Nobla w 1972 roku. W miarę kolejnych badań, coraz dokładniej wyjaśniano zjawisko nadprzewodnictwa, szukając przy tym innych pierwiastków i materiałów, które wykazują ten efekt także w wyższych temperaturach. 2. Nadprzewodnictwo Nadprzewodnictwo jest to zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w niektórych metalach np. Pb, Zn, Al, stopach metali oraz w pewnych spiekach ceramicznych. Nadprzewodnictwo obserwowane jest w niskich, mniejszych od pewnej, charakterystycznej dla danego materiału temperaturze, tzw. temperaturze krytycznej. Materiały, które wykazują efekt nadprzewodnictwa, nazywamy nadprzewodnikami. Obecnie znamy 24 pierwiastki wykazujące nadprzewodnictwo. Pierwiastkiem metalicznym o najwyższej temperaturze krytycznej jest niob. Własności nadprzewodnikowe wykazują również stopy metali, w tym nawet stopy takich metali, które w stanie pierwiastkowym nie są nadprzewodnikami. Metal Temperatura krytyczna Tc [K] Temperatura krytyczna Tc [ C] Al 1,2-271.95 In 3,4-269,75 Sn 3,7-269,45 Hg 4,2-268,95 Ta 4,5-268,65 V 5,4-267,75 Pb 7,2-265,95 Nb 9,3-263,85 Tabela 1. Niektóre metale nadprzewodzące i ich temperatury krytyczne.
3. Własności nadprzewodników Podstawową własnością nadprzewodników jest ich praktycznie zerowa rezystancja (rezystywność) w temperaturze niższej od temperatury krytycznej (temperatury przejścia). Podczas schładzania (oziębiania) metalu jego rezystywność maleje zgodnie z zależnością ϱ=ϱ 0 +AT 5 gdzie: ϱ 0 -rezystywność szczątkowa pochodząca od rozproszenia elektronów na domieszkach, A stała, T temperatura [K] Zależność ta obowiązuje dla temperatur niskich, ale wyższych od temperatury krytycznej T>T kr. W temperaturze krytycznej następuje bardzo szybki zanik rezystywności. Zanik ten następuje w bardzo wąskim przedziale temperatury rzędu 0.05 K. Rysunek 1. Wykres zależności rezystancji materiału od temperatury. Drugą ważną cechą nadprzewodników jest to, że stan nadprzewodnictwa można zniszczyć przez przyłożenie dostatecznie silnego pola magnetycznego. Zgodnie z dwiema powyższymi podstawowymi właściwościami nadprzewodników można określić już wcześniej wspomnianą temperaturę krytyczną i krytyczne pole magnetyczne, które to parametry odpowiadają przejściu fazowemu pomiędzy stanem normalnym a stanem nadprzewodzącym. Oznacza to, 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 pola. Dla temperatur wyższych od temperatury krytycznej nadprzewodnik przechodzi do stanu normalnego. Jednak wzrost wartości zewnętrznego pola magnetycznego powyżej pewnej wartości także powoduje przejście do stanu normalnego. Wartość krytycznego natężenia pola magnetycznego jest skorelowana z wartością temperatury krytycznej. Im niższe pole magnetyczne tym wyższa temperatura krytyczna i na odwrót im wyższa temperatura krytyczna tym niższe natężenie pola krytycznego. Podobny wykres fazowy otrzymuje się gdy zamiast pola magnetycznego analizujemy prąd płynący w nadprzewodniku. Jeżeli prąd wzrośnie powyżej wartości krytycznej, zależnej od temperatury, nadprzewodnik przechodzi do stanu normalnego. Wykres 2. Zależność krytycznego pola magnetycznego i prądu krytycznego nadprzewodników od temperatury. Trzecią cechą nadprzewodników jest to, że pole magnetyczne zewnętrzne nie wnika do ich wnętrza. Jest to związane z tym, że na powierzchni nadprzewodnika umieszczonego w polu magnetycznym w temperaturze niższej od temperatury krytycznej płynie zaindukowany prąd powierzchniowy, który wytwarza pole magnetyczne przeciwnie skierowane do pola zewnętrznego. Wartość tego pola jest równa polu zewnętrznemu. Zjawisko to nazwane zostało zjawiskiem Meissnera.
3. Teoria Meissnera Dużym kamieniem milowym w badaniach zachowania się materii w ekstremalnie niskich temperaturach było zaobserwowanie przez Waltera Meissnera i Roberta Ochsenfelda w 1933 roku zjawiska wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika. Zjawisko to, zwane diamagnetyzmem, w przypadku nadprzewodników nazywane jest 'efektem Meissnera'. Po schłodzeniu normalnego metalu umieszczonego w polu magnetycznym do temperatury niższej od temperatury krytycznej, przenikający próbkę strumień magnetyczny jest gwałtownie wyrzucany na zewnątrz próbki. Rysunek 2. Efekt Meissnera: Linie pola magnetycznego zostają wypchnięte z nadprzewodnika, gdy ten ma temperaturę niższą od krytycznej. Zjawisko Meissnera jest podstawą do określenia, czy dany przewodnik o zerowym oporze elektrycznym jest rzeczywiście nadprzewodnikiem. Zewnętrzne pole magnetyczne o natężeniu mniejszym od granicznego nie wnika do nadprzewodnika, natężenie pola magnetycznego wewnątrz nadprzewodnika jest równe zero. Natężenie graniczne pola magnetycznego zależy od materiału oraz temperatury nadprzewodnika. Jeżeli nadprzewodnik zostanie umieszczony w bardzo silnym polu magnetycznym to przestaje być nadprzewodnikiem, jeżeli natężenie pola będzie się zmniejszać, to w momencie przejścia w stan nadprzewodnictwa pole zostanie wypchnięte z nadprzewodnika. Przyczyną wypchnięcia jest pojawienie się w powierzchownej warstwie nadprzewodnika prądu elektrycznego o takim natężeniu, że wytworzone przez niego pole magnetyczne kompensuje wewnątrz nadprzewodnika pole magnetyczne. Związana z tym siła utrzymać bryłkę nadprzewodnika nad stacjonarnym magnesem - tzw. lewitacja nadprzewodnika.
Rysunek 3. Magnes lewitujący nad nadprzewodnikiem. Tak lewitujący magnes ma dwie szczególne właściwości: może pozostawać w totalnym bezruchu (dzięki liniom pola magnetycznego uwięzionym w defektach sieci krystalicznej) lub wirować bez tarcia. 4. Rodzaje nadprzewodników. Biorąc pod uwagę różne kryteria, można wydzielić różne rodzaje nadprzewodników: nadprzewodniki I typu, w których jednorodny stan nadprzewodzący występuje w całej objętości. Dla wszystkich wartości pól magnetycznych mniejszych od pola krytycznego, strumień pola nie wnika do próbki. Po przekroczeniu krytycznej wartości cała próbka przechodzi do stanu normalnego i pole wnika do całej objętości, czyli następuje zniszczenie stanu nadprzewodzącego; nadprzewodniki II typu charakteryzują się dwoma polami krytycznymi. W polu magnetycznym niższym od pierwszego pola krytycznego H c1, strumień pola magnetycznego nie wnika do próbki mamy do czynienia z pełnym zjawiskiem Meissnera. Gdy pole magnetyczne przekroczy wartość H c1, w próbce pojawia się tzw. stan mieszany, będący współistnieniem obszarów nadprzewodzących i normalnych. Pole magnetyczne częściowo wnika do próbki. Stan mieszany zanika, a próbka przechodzi w stan normalny, gdy pole magnetyczne przekroczy wartość drugiego pola krytycznego H c2.
Rysunek 4. Zależność namagnesowania od pola magnetycznego dla nadprzewodników I i II typu. nadprzewodniki niskotemperaturowe, o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa poniżej temperatury wrzenia ciekłego azotu (77 K); nadprzewodniki wysokotemperaturowe, o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu. 5. Zastosowanie nadprzewodnictwa Zjawisko nadprzewodnictwa znalazło swoje zastosowanie między innymi w transporcie. Stworzono kolej magnetyczną, czyli kolej dużych prędkości, w której tradycyjne torowisko zostało zastąpione przez układ elektromagnesów. Dzięki polu magnetycznemu kolej ta nie ma kontaktu z powierzchnią toru, gdyż praktycznie cały czas unosi się nad nim. Do realizacji tego zadania wykorzystuje się elektromagnesy wykonane z nadprzewodników (w Japonii) lub konwencjonalne (w Niemczech). Pojazdy mogą przez to rozwijać duże prędkości. Dzięki zastosowaniu magnesów eliminowane jest tarcie kół, które w tradycyjnych pociągach znacznie ogranicza maksymalną prędkość jazdy. Dzięki temu koleje magnetyczne zbliżają się do 600 km/h. Istnieją dwa systemy kolei magnetycznych: Maglev (z ang. magnetic levitation = lewitacja magnetyczna ) technologia unoszenia elektrodynamicznego (EDS) (unoszenie przez przyciąganie), rozwijana w Japonii; Transrapid unoszenie elektromagnetyczne (EMS) (unoszenie przez odpychanie), rozwijana w Niemczech. Testowe linie kolei magnetycznej istnieją w Japonii i Niemczech, a jedyna komercyjna linia w Chinach.
Rysunek 5. Elektromagnetyczna kolej Transrapid. Nadprzewodniki dały możliwość łatwego wytworzenia bardzo silnych pól magnetycznych. Dzięki nim buduje się gigantyczne magnesy wytwarzające pole rzędu 106 A/m. Nadprzewodzący elektromagnes stanowi cewka wykonana ze zwojów drutu nadprzewodzącego zanurzona w cieczy kriogenicznej, przez którą płynie prąd. Głównymi elementami takiego elektromagnesu są: solenoid, kriostat, zasilacz. Najnowszym i bardzo ważnym w życiu człowieka zastosowaniem dużych nadprzewodnikowych magnesów jest metoda MRI, która umożliwia obrazowanie wnętrza ludzkiego ciała za pomocą jądrowego rezonansu magnetycznego. Metoda ta umożliwia określenie dynamiki i koncentracji protonów, a więc jąder wodoru, znajdujących się w wodzie zawartej w tkankach ludzkich. Obraz ten koncentracji pozwala na niezwykle dokładne badanie ciała ludzkiego zmiany koncentracji i dynamiki protonów świadczą o różnych zmianach patologicznych, zachodzących w organizmie. Stosowane w technice rezonansu magnetycznego magnesy są tak duże, aby zmieścił się w nich wygodnie cały człowiek. Mają więc długość 2,3m, średnicę 1m i wytwarzają pole magnetyczne o indukcji do 1,5*10 6 A/m. Taki magnes jest chłodzony helem i azotem, których zużycie wynosi ok. 0,4l ciekłego helu/h i 1l ciekłego azotu/h. Magnesy te charakteryzują się wysoką jednorodnością pola magnetycznego
Rysunek 6. Aparat MRI. Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną rosną straty przenoszenia jej za pomocą linii przesyłowych. Nadprzewodnikowe linie mogą rozwiązać problem strat energii. Stosowane są tzw. kriokable, w których wykorzystywane są dwa rozwiązania: normalny kabel schładzany do niskiej temperatury lub kabel nadprzewodzący. Kabel nadprzewodzący jest niestety bardziej skomplikowany. W obiegu takiej linii płynie ciekły hel. Na sprężystym korpusie umieszczony jest elastyczny nadprzewodnik, który musi być oddzielony izolacją od wewnętrznej rury prowadzącej ciekły hel. Kolejną warstwą jest płaszcz próżniowy, w którym znajduje się ekran chłodzony odparowanym helem gazowym. Stosowanie kabla nadprzewodzącego jest więc opłacalne, ale tylko gdy przenoszona moc jest większa od jednego gigawata. Nadprzewodnictwo stosowane jest także w innych dziedzinach. Konstruuje się z ich zastosowaniem między innymi łożyska, czy tranzystory nadprzewodzące. Nadprzewodniki stosowane są także w elektronice (interferometr SQUID) czy w urządzeniach do detekcji promieniowania (bolometry). 6. Podsumowanie Odkrycie zjawiska nadprzewodnictwa dało światu dużo możliwości. Stosowanie nadprzewodników jest wydajne i bezpieczne, jednak wciąż bardzo drogie, ze względu na duże koszty utrzymywania niskich temperatur. Dlatego więc naukowcy kontynuują badania i szukają materiałów, które będą miały możliwość utrzymania własności nadprzewodzących w temperaturze otoczenia.
Literatura: J.Stankowski, B.Czyżak Nadprzewodnictwo WNT, Warszawa 1994 http://kft.umcs.lublin.pl/doman/lectures/festiwal.pdf http://info.ifpan.edu.pl/rn_ifpan/tsarou-doktorat.pdf http://www.operator.enea.pl/blog/10/nauka/2011-12-20/nadprzewodnictwo-melodiaprzyszlosci-39.html http://postepy.fuw.edu.pl/zjazdy/2005-warszawa/pf-2006-3-domanski.pdf http://www.jeybi.republika.pl/n1tajemnice_nadprzewodnictwa.html http://www.iwiedza.net/materialy/m006.html http://lodd.p.lodz.pl/~iowczarek/extra/historia http://pl.wikipedia.org/