Физика

за сваког по нешто

Суперпроводљивост

Преузми Word документ

Суперпроводљивост је појава која се јавља код неких материјала на ниским температурама, када долази до потпуног одсуства електричне отпорности.

График зависности промене специфичне отпорности од температуре:

Специфична отпорност свих проводника зависи од температуре. Код металних проводника отпорност расте са температуром, а код електролита и угља отпорност опада. При високим температурама отпорност металних проводника брже расте са температуром него при средњим вредностима температуре. Специфична отпорност смањивањем температуре равномерно опада, да би на апсолутној нули достигла неку минималну вредност.

Повећање отпорности са порастом температуре објашњава се осциловањем кристалне решетке. Због осциловања нарушава се симетрија решетке, појављују се локалне нехомогености на којима се расејава де  Брољев талас слободних електрона

Уочено је да постоје неки материјали код којих је електрична отпорност нагло пада (једнака је нули) у близини апсолутне нуле. Код живе, на пример,  на температури од 4,1К електрична отпорност нагло пада на нулу. Материјали чија је електрична отпорност једнака нули називају се суперпроводници. Прелаз метала у стање суперпроводности дешава се нагло (у скоку). Температура на којој долази до ове нагле промене назива се критична температура. Уочено је да се неки други метали понашају на исти начин, али су критичне температуре различите, углавном око или испод 4К.

Пример: Критичне температуре – олово 7,2К, жива 4,12К, кадмијум 0,54К, талијум 2,38К, ниобијум 9,5К.

Уочено је да на критичној темеператури скоковито мењају и друга својства материјала, што указује да се на тој температури дешавају структурне промене материјала.

Суперпроводност се појављује код разних материјала, укључујући и једноставне елементе попут калаја и алуминијума, неке маталне легуре, и неке полупроводнике,  као и извесна керамичка једињења. Суперпроводност се не појављује код племенитих метала попут злата и сребра, нити код феромагнетних метала попут гвожђа (мада гвожђе може да се претворити у суперпроводник ако се подвргне врло високим притисцима).

Немачки физичар Мајснер (1933. године) је експериментално утврдио да суперпроводници не дозвољавају магнетном пољу да продре у њихову унутрашњост. Суперпорводници се понашају као идеални дијамагнетици.

Ако се метална кугла унесе у магнетно поље, магнетно поље ће постојати и у унутрашњости кугле. Ако је метална кугла у суперпроводном стању, линије магнетног поља обилазе око кугле, не улазећи у њену унутрашњост.

Ова појава се објашњава индуковањем струја на површини суперпроводника. Магнетно поље тих струја поништава спољашње поље у унутрашњости метала. Ова појава је названа Мајснеров ефекат.

Магнетно поље у коме се проводник налази може да уништи супрепроводност. При појачању спољашњег магнетног поља постоји одређена јачина када поље успе да продре у суперпроводник и да уништи његову суперпроводљивост. Вредност поља на којој се ово догађа назива се критична магнетна индукција Bc. На основу тога је извршена подела на суперпроводнике I врсте (метали) – мало критично магнетно поље и суперпроводнике II врсте (неке легуре) – велико критично магнетно поље.

Пошто струја коју пропуштамо кроз суперпроводник јесте извор магнетног поља, јасно је да мора да постоји ограничење њене јачине и да изнад те граничне јачине струје нема суперпроводљивости.

Суперпроводљивост је откривена 1911. (холандски физичар Камерлинг Онес[2]), али теоријска основа ове појаве није била позната све до 1957. године. Те године су амерички физичари Џон Бардин, Лион Купер и Роберт Шрифер објавили теорију суперпроводљивости (за конвенционалне, тада једино познате, суперпроводнике), сада познату као БСЦ теорију,  и за то добили Нобелову награду 1972. Значајан је допринос и руског научника Богољубова.

Основни део БСЦ теорије је грађење парова проводних електрона, познатих као Куперови парови електрона, као последица интеракције са позитивним јонима кристала.

Њихова идеја је да електрон – фонон интеракција ствара услове да се два електрона споје у електронски пар (Куперови парови). Ако је температура материјала већа од Tc онда фонони имају довољно енергије да ове парове и разоре. Међутим ако је температура материјала мања од Tc тада фонони немају довољно енергије да разарају Куперове парове, али и даље имају довољно енергије да их стварају.

Куперов пар електрона чине електрони супротног спина тако да је спин пара једнак нули, па се понаша као бозон. Куперов пар се као Де Брољев талас простире кроз кристалну решетку без расејања – тада фонони не само да немају довољно енергије да разоре Куперов пар, него немају ни довољно енергије да изазову њихово расејање. Зато је отпорност  тада једнака нули.

Постоји и класа материјала, позната као неконвенционални суперпроводници, код којих се јавља суперпроводност. Такве материјале су 1986. године открили Георг Беднорц и Карл Милер међу електропроводним керамичким материјалима[1]. Ови материјали показују особину суперпроводљивости на температурама далеко вишим него што би то било могуће по конвенционалној теорији. Још увек нису објашњени механизми функционисања ових суперпроводника.

Једна од могућих користи суперпроводника је та што би помоћу њих било могуће да се електрична енергија чува дуго времена, практично без утрошака. Ипак да би се суперпроводници користили у пракси, потребно је да „функционишу“ на температурама приближним собним (иначе би их утрошак енергије за хлађење учинио непрактичним). Зато већ дуги низ година научници раде на стварању суперпроводника који раде на све вишим температурама.

У тим трагањима добијене су легуре ниобијума и германијума (1973) са критичном температуром 23,2К. Керамички материјал, добијен 1986. године има критичну темепаратуру 35К. У новије време, добијени су керамички материјали са критичном температуром око 100К. Већ на овим температурама (100К) пружају се велике могућности примене, јер за хлађење тела до ове температуре може да се користи течни азот.

Провођење електричне струје без икакве отпорности пружа велике могућности. Неке од могућности примене:

  • пренос и складиштење електричне енергије без губитака;
  • рачунари са суперпроводљивим елементима могли би да буду знатно мањи, бржи и ефикасинији;
  • лебдећи изнад суперпроводљиве пруге, односно пута возови и аутомобили би се кретали знатно већим брзинама;
  • суперпроводљиви мерни уређаји користили би се за мерење веома слабих електричних и магнетних поља као што су магнетна поља мозга, срца, за мерење протока јона кроз ћелијске мембране;
  • суперпороводни магнетни у медицинским уређајима за нуклеарну магнетну резонанцију и у акцелераторима елементарних честица (детаљније у Додатку).

Пример: Левитацијски воз

Ако је температура подлоге виша од критичне температуре магнет лежи на подлози (воз на шинама). Када се температура снизи испод критичне, подлога (железничке шине) постаје суперпроводљива, па из своје унутрашњости потискује магнетно поље сталног магнета. Јавља се одбојна сила, која се смањује са удаљавањем магнета (железниче композиције)  од површине подлоге. На одређеној висини изнад подлоге, изједначавају се одбојна магнетна сила и сила Земљине теже. Тело лебди као да је на магнетном јастуку.

 

ДОДАТАК

Велики хадронски сударач (LHC – Large Hadron Collider) у у ЦЕРН-у чини прстен од две акцелераторске цеви у којима се убрзавају снопови протона у супротним смеровима. Оба снопа протона убрзавају се независно до енергија 7 TeV, а затим се сударају при укупној енергији у систему центра масе од 14 TeV. Једна од основних компоненти овог синхротронског прстена је суперпроводни диполни магнет у чијем средишту су две акцелераторске цеви. Диполни магнети омогућавају да се протони, подвргнути магнетном пољу индукције 8,4Т, крећу по кружним путањама кроз акцелераторске цеви. Електромагнетни намотаји су од суперпроводног материјала (легуре ниобијума и татанијума NbTi), који се хладе течним хелијумом до 1,9K.

Температура од 1,9К се постиже пумпањем суперфлуидног хелијума у систем магнета. Радна температура значајно утиче на суперпроводна својства ниобијум-титанијума.

Диполи у Великом хадронском сударачу садрже каблове од ниобијум-титанијума, који постају суперпроводни на температури око 10К. Пошто је радна температура 1,9К то утиче на подизање вредноси критичног магнетног поља на више од 9Т.  Радна вредност магнетног поља је око 8,4Т, коју реализује електрична струја јачине 11850А.

На пример: Када би магнети били на температури од 4,5К, вредност јачине електричне струје би била око 8500А, који би произвела магнетно поље индукције око 6Т.

Сваки дипол је дугачак 15 метара, а маса је око 35 тона.

Калемови магнета се састоје од 36 уплетених суперпроводних жица. Свака од ових танких жица састоји се од 6000-9000 појединачних влакана пречника 6-7 mm (око десет пута тање од длаке косе човека).

 

 


Додатак:

 

 

 

 

Електрична проводљивост метала Полупроводници