S U P R A V O D LJ I V O S T

Pokus H.K Onnesa i otkriće supravodljivosti Supravodljivost je slučajno otkrio Kammenrligh Onnes 1911. prilikom proučavanja električnih svojstava žive pri vrlo niskim temperaturama, koristeći tekući helij za hlađenje Među prvim svojstvima čije je ponašanje na niskim temperaturama Onnes želio istražiti bila je električna otpornost vrlo čistih metala Rezultat eksperimenta bio je zaist neočekivan – električni se otpor žive kontinuirano smanjivao sniženjem temperature do 4,2 K 1913. dobio je Nobelovu nagradu Onnes je bio vrlo iznenađen otkrićem da snižavanjem temperature ispod 4,2 K otpor njegova uzorka žive naglo pada sa 0,11Ω na nulu

Usporedba

Kritične temperature u Tk/K nekih supravodiča: KADMIJ 0,56 CINK 0,88 ALUMINIJ 1,19 INDIJ 3,407 KOSITAR 3,722 ŽIVA 4,15 OLOVO 7,18

Kritične temperature u Tc za neke supravodljive metale i međumetalne spojeve: materijal Tc/ K VOLFRAM 0,01 CINK 0,9 ALUMINIJ 1,2 KOSITAR 3,7 ŽIVA 4,2 OLOVO 7,2 NIOBIJ 9,5 SPOJ VSi 17 SPOJ Nb3Sn 18,1 23,2

Svojstva supravodiča 1. Vođenje struje bez električnoga otpora Upotrebom supravodljivih materijala konstruiraju se magneti kojima bez električnog otpora teku vrlo jake struje i na taj način proizvedu se vrlo jaka i trajna magnetska polja Takvi elektomagneti grade se od tankih supravodljivih žica,promjera oko 0,1mm kojima mogu prolaziti struje jakosti od stotinjak ampera Zahvaljujući tome, supravodljivi magneti zauzimaju manji prostor, imaju manje ugrađenog materijala,troše mnogo manje energije i daju jača magnetska polja U praksi je utvrđeno da je i nakon 4 godine po isključivanju izvora struje i dalje tekla tim krugom, a da se ni najpreciznijim mjerenjima nije moglo utvrditi nikakvo smanjenje njene jakosti Ako jakost struje u supravodiču prijeđe određenu vrijednost( Ic ), materijal prelazi iz supravodljivog stanja u normalno

KRITIČNA STRUJA, Ic Maksimalna vrijednost jakosti struje koja može teći supravodičem ( a da materijal ostane supravodljiv) Ona ovisi o materijalu i temperaturi Za svaki materijal najveća je pri 0 K i s porastom temperature postepeno pada sve do kritične temperature, kada postane nula

2.Istiskuje magnetsko polje (Meissnerov efekt) Iz supravodiča se istiskuje magnetsko polje Magnetska indukcija B je u supravodiču 0 sve dok je vodič u supravodljivom stanju ( Bc ) Supravodič je idealni dijamagnetik

Ako se tijelo od supravodljive tvari postavi u vanjsko magnetsko polje,pojavljuje se vlastito magnetsko polje koje je u unutrašnjosti tijela suprotno vanjskom, čim temperatura tijela dosegne kritičnu temperaturu Tc . Prema tome ,magnetsko polje biva izbačeno iz unutrašnjosti tijela i oko njega se savija.

H – jakost mag. polja ( T/A ) (prva strelica) za svaki par vrijednosti T,H u neosjenčanom području olovo je u normalnom stanju (nije supravodljivo) (druga strelica) za svaki par vrijednosti T,H u osjenčanom području olovo je supravodljivo (treća strelica) graf koji prikazuje kritično magnetsko polje Hc u ovisnosti o temperaturi T za olovo

SUPRAVODIČI 1. VRSTE Oni su u magnetskom polju ili u supravodljivu stanju (koje je bez električnog i savršeno dijamagnetsko) SUPRAVODIČI 2.VRSTE Mogu se nalaziti u 3 stanja: supravodljivom, miješanom i u normalnom stanju U miješanom stanju takav materijal nema električni otopor, ali za razliku od pravog supravodljivog stanja, vanjsko magnetsko polje može proći kroz njega

Zarobljavanje magnetskog polja u supravodljivom prstenu Metalni prsten nalazi se u normalnom stanju Prsten je stavljen u homogeno magnetsko polje koje je okomito na njega Pošto je materijal u normalnom stanju magnetsko polje prolazi kroz prsten

Temperatura je ispod kritične Tijelo postaje supravodljivo i izbacuje magnetsko polje Ali magnetsko polje i dalje prolazi kroz otvor prstena

Vanjsko magnetsko polje se isključi No, magnetsko polje kroz prsten ne nestaje već ostaje “zarobljeno” To je posljedica kružnih struja koje se javljaju prilikom nestajanja vanjskog magnetskog polja Te struje i dalje održavaju magnetski tok

TEORIJA SUPRAVODLJIVOSTI(“BSC-teorija) (John Bardeen, Leon Cooper, John Schriefer) 1957. uspješno je razvijena “BSC-teorija” (1972.-Nobelova nagrada) “BSC-teorija” je jako komplicirana i može se je shvatiti samo uz odlično poznavanje kvantne fizike i njenih matematičkih metoda. Slikovito ta teorija supravodljivosti tumači kao “igru” elektrona razdijeljenih u parove ( tzv. Cooperovi parovi ). Slobodni elektron koji se giba kristalnom rešetkom međudjeluje s ionima izvlačeći ih iz njihovog ravnotežnog položaja i tako stvara porast pozitivnog naboja, kojim se može privući drugi elektron. Unatoč uobičajenom elektrostatskom odbijanju može se između ova 2 elektrona pojaviti privlačenje. Ako sila privlačenja nadjača silu odbijanja, elektroni će formirati par i njihova energija se smanji za energiju vezanja para.

Tako nastaju Cooperovi prstenovi Kako je pozitivni naboj induciran gibanjem samih elektrona, djelovanjem vanjskog električnog polja parovi se mogu gibati slobodno kroz materijal. Time su ispunjeni uvjeti za supravodljivost. Temeljna ideja je uvođenje Cooperovih parova elektrona koji se stvaraju vrlo slabim vezama između dva vodljiva nivoa na velikim elektronskim udaljenostima

PRIMJENA SUPRAVODLJIVOSTI I. Vođenje el.struje bez gubitaka energije U laboratoriju se već odavno koriste supravodljivi elektromagneti U računalima Generatori, trnsformatori, elektromotori II. Iskorištavanje Meissnerovog efekta U laboratoriju, lebdeći vlakovi Nakon što se u supravodljiv magnet pusti struja (i iskopča) ne treba više napajanja Struja se u njemu trajno održava, jer nema gubitka na omski otpor Naravno,za vrijeme rada on se cijelo vrijeme drži u tekućem heliju

LEVITACIJA Posljedica savršene dijamagnetičnosti supravodiča Npr. permanentni magnet i podloga od supravodljivog materijala Ako je podloga na temperaturi iznad kritične temperature (normalno stanje) magnet leži na podlozi Ako se temperatura podloge snizi ispod kritične temperatue materijal postaje supravodljiv,magnet se diže iznad površine podloge i ostaje lebdjeti JOSEPHSONOV EFEKT Mjerenje vrlo slabih promjenjivih magnetskih polja Npr. primjena u medicini ( mjerenje aktivnosti ljudskog mozga )

PROBLEMI Supravodljivost se javlja kod vrlo niskih temperatura Nezgoda s primjenom supravodiča jest u njihovo jako niskoj temperaturi, tako bi se supravodič trebalo držati u tekućem heliju, što je preskupo Uspješno bi bilo ako bi se smislio supravodič koji bi imao kritičnu temperaturu ukapljavanja dušika ( 77K ), što je puno jeftinije

Műller i Bednorz Dobili su 1987. Nobelovu nagradu za fiziku za otkriće visokotemperaturne supravodljivosti u keramičkim bakrenim oksidima → tzv. novi supravodljivi vodiči Našli su da uzorak keramičkog oksida barija, lantana i bakra pokazuje kritičnu temperaturu supravodljivoga prijelaza na 35 K To je bilo čak 12 °C više od rekorda iz 1973. ostvarenog na niobijevim spojevima Kasnije je postignut supravodljiv prijelaz iznad 90 K u uzroku YBa2Cu3O7-x, a 1988. (prijelaz je na 125 K) 2 LOŠA SVOJSTVA NOVIH SUPRAVODLJIVIH VODIČA: Kruti i krhki pa se od njih (za sada) ne mogu praviti savitljive žice Kritične struje (krit.mag. polja) su za te supravodiče vrlo mala,reda veličine 0,01T

JEDNODIMENZIONALNI ORGANSKI VODIČI DVODIMENZIONALNI ORGANSKI VODIČI Pošto hlađenje supravodiča puno košta,tražili su se novi materijali koji su supravodljivi Nije se dosta godina našlo nešto što bi snižavalo tu temperaturu ,te su se znastvenici okrenuli posebnim materijalima JEDNODIMENZIONALNI ORGANSKI VODIČI Materijali građeni od paralelnih lanaca atoma, s time da u svakom lancu “kičmu” čine nizovi atoma ugljika Uspjelo se sintetizirati nekoliko jednodimenzionalnih organskih supravodiča s Cooperovim parovima, no kritične temperature su bile vrlo niske DVODIMENZIONALNI ORGANSKI VODIČI Műller i Bednorz Tc = 35 K atomi smješteni po slojevima najbolje vodi struju u ravninama u kojima se nalaze određene kombinacije atoma, a slabije između slijeda atoma

T H E E N D