politechnika gdańska nadprzewodnictwo i efekt meissnera

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.
=
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
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