POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA ENERGETYKI I APARATURY PRZEMYSŁOWEJ NADPRZEWODNICTWO I EFEKT MEISSNERA Katarzyna Mazur Inżynieria Mechaniczno-Medyczna Sem. 9
1. Przypomnienie istotnych pojęć Rezystancja nazwa, jaką nadano współczynnikowi proporcjonalności R opisującemu zależność między wartością napięcia (U) i prądu (I) płynącego w danym przewodniku. R = U I Zależność ta została opisana w prawie Ohma już na początku XIX wieku. Rezystywność jest wielkością określającą opór, z jakim materiał przeciwstawia się przepływowi prądu, zależy od własności i wymiarów przewodnika. S pole przekroju przewodnika l długość przewodnika ρ = RS l 2. Historia nadprzewodnictwa Nadprzewodnictwo, jako zjawisko fizyczne zostało odkryte już w 1911 roku przez Heike Kamerlingh Onnes a na rtęci, za co Holenderski Fizyk w 1913 roku otrzymał nagrodę Nobla. Odkrycie obejmowało jedynie sam fakt zaniku oporu podczas przepływu prądu. Efekt wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika zaobserwowali dopiero Walther Meissner i Robert Ochsenfeld w 1933 roku. Wyniki ich obserwacji znane są, jako Efekt Meissnera (lub Meissnera-Ochsenfeld a). Dopiero czterdzieści sześć lat po odkryciu nadprzewodnictwa, a zatem w 1957 roku opisano teorię nadprzewodnictwa, dokonało tego trzech amerykańskich fizyków John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer. Za swoją pracę przedstawioną światu, jako teoria BCS (od pierwszych liter nazwisk naukowców) w 1972 roku otrzymali nagrodę Nobla. 3. Nadprzewodnictwo Nadprzewodnictwo jest stanem materiału, w jaki ten przechodzi w bardzo niskich temperaturach i charakteryzuje się ono całkowitym zanikiem oporu elektrycznego w tym materiale. Materiały, które mogą osiągnąć stan nadprzewodnictwa nazywamy nadprzewodnikami i możemy podzielić je ze względu na temperaturę, w jakiej ten stan osiągają lub ze względu na zachowanie się pola magnetycznego w ich wnętrzu. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe są to materiały, których temperatura przejścia w stan nadprzewodnictwa jest wyższa od temperatury ciekłego azotu, a zatem 77K np. tlenki miedzi o strukturze krystalicznej typu perowskitu Nadprzewodniki niskotemperaturowe są to materiały, których temperatura przejścia w stan nadprzewodnictwa jest niższa od temperatury ciekłego azotu np. miedź 2
Nadprzewodniki typu I są to materiały, które unoszą się nad polem magnetycznym. W przypadku gry natężenie pola magnetycznego przekroczy wartość graniczną efekt nadprzewodnictwa zanika. Nadprzewodniki typu II są to materiały, które pozwalają przenikać się polu magnetycznemu i nie tracą przy tym własności nadprzewodzących. W przypadku gry natężenie pola magnetycznego przekroczy wartość graniczną pole magnetyczne może wniknąć do nadprzewodnika nie niszcząc efektu nadprzewodnictwa. 4. Teoria BCS Fermiony są to wszystkie te cząstki, które nie posiadają całkowitego spinu np. elektrony. Spin ten posiada wartości będące nieparzystą wielokrotnością połowy stałej Plancka (ħ) Bozony są to wszystkie te cząstki, które posiadają całkowity spin. Tylko dwanaście bozonów jest cząstkami elementarnymi, a zatem niezłożonymi z innych cząstek, pozostałe to zespoły mniejszych cząstek o niecałkowitych spinach. Para Coopera jest to układ dwóch fermionów tworzących bozon, które oddziaływując ze sobą za pomocą drgań sieci krystalicznej tworzą parę o całkowitym spinie i są nośnikami prądów nadprzewodzących. Zjawisko to może występować tylko przy obniżonej temperaturze i w materiale nadprzewodzącym. Fermion na przykład elektron porusza się w sieci krystalicznej, która poprzez schłodzenie prawie całkowicie zatrzymała swoje drgania własne. Elektron niosąc ze sobą ładunek zaburza równowagę jonu znajdującego się w sieci, który pociąga za sobą inne jony tworząc swoistą fale ruchu (fonon) i oddziaływując na inny elektron, który razem z inicjatorem fonon-u tworzy parę Coopera. Kondensacja Bosego-Einsteina jest to efekt kwantowy, którego istotą jest fakt, iż znaczna liczba bozonów posiada taki sam pęd, czyli przechodzą w zerowy stan pędowy. Kondensacja powoduje, zatem, iż wszystkie te cząstki zachowują się jak jedno ciało (ich pęd nie zmienia się) i zachodzi w nich efekt nadciekłości, dzięki czemu prąd może płynąć bez końca. Teoria BCS jest to mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa, według której fermiony (nośniki ładunku np. elektrony) łączą się w pary Coopera i stają się bozonami, jednocześnie podlegają kondensacji Bosego-Einsteina stają się nośnikami prądów nadprzewodzących 3
5. Teoria nadprzewodnictwa Ginzburga-Landaua Teoria ta to całkowicie matematyczny opis teorii BCS. Skupia się ona wyłącznie na opisie i nie odnosi się do źródła efektu nadprzewodnictwa. 6. Efekt Meissnera Jest to zjawisko wypchnięcia pola magnetycznego z nadprzewodnika w momencie, gdy ten dzięki obniżeniu temperatury przechodzi w stan nadprzewodzący. Dzieje się tak, ponieważ na powierzchni nadprzewodnika powstaje prąd, którego pole magnetyczne kompensuje pole zewnętrzne. Zaistnienie tego efektu jest niezbędne, aby dany przewodnik o zerowym oporze mógł zostać zaliczony do grona nadprzewodników. Istnieje pewna graniczna wartość natężenia pola magnetycznego po przekroczeniu, którego nadprzewodnik nie może dalej opierać się jego naporowi. Pole wnika w materiał, a efekt nadprzewodnictwa zanika. Gdyż pole ponownie zmniejszy swoje natężenie nadprzewodnik znów może je wypchnąć. Efekt Meissnera można zaobserwować gołym okiem obserwując jak schłodzony nadprzewodnik lewituje nad magnesem stałym. Rysunek 1. Efekt Meissnera Źródło: http://www.fizyka.umk.pl/wfaiis/?q=node/586 (28.12.2011) 4
7. Zastosowanie nadprzewodnictwa Przykładem zastosowania nadprzewodnictwa są nadprzewodnikowe elektromagnesy chłodzone ciekłym helem. Generują one bardzo silne pole przy minimalnym poborze mocy i są stosowane w aparatach MRI, przemysłowych generatorach plazmy i akceleratorach cząstek elementarnych. Rysunek 2. Aparat MRI Źródło: http://www.brainimaging.wisc.edu/facilities/ni_facilities.html (28.12.2011) Nadprzewodnictwo znalazło również swoje zastosowanie w transporcie, gdzie tradycyjne stalowe torowisko zastąpił układ elektromagnesów. Rozwiązanie to pozwala na lewitację pociągu nad torowiskiem i przez to zminimalizowanie oporów umożliwiające rozpędzenie się pojazdu do prawie 600 km/h. Rysunek 3. Maglev Źródło: http://www.popularmechanics.com/technology/engineering/infrastructure/4232548 (28.12.2011) 5
8. Podsumowanie Samo stosowanie nadprzewodników jest bezpieczne i wydajne (dzięki zastosowaniu nadprzewodników utrzymano, bez dodatkowego zasilania, napięcie w zamkniętym układzie przez okres dwóch lat, eksperyment przerwano ze względu na brak funduszy) nadal jednak problemem jest obniżanie ich temperatury (bardzo wysokie koszty), dlatego świat z zapartym tchem czeka na nadprzewodnik, który swoje właściwości zachowa w temperaturze otoczenia. 9. Bibliografia http://www.ptb.de/cms/en/ib/geschichte-ib.html http://pl.wikipedia.org http://www.magnesy-neodymowe.info.pl/ http://www.zjawiska.pl/fizyczne/efekt-meissnera/ http://kft.umcs.lublin.pl/doman/lectures/ptf.pdf http://postepy.fuw.edu.pl/zjazdy/2005-warszawa/pf-2006-3-domanski.pdf http://www.wprost.pl/ar/50792/nadprzewodnicy-nauki/ 6