Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz ich wykorzystanie

Techniki niskotemperaturowe w medycynie
Temat: Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz
ich wykorzystanie
Natalia Buchwak
IM-M
Semestr II, stopień II
Gdańsk 2011
Spis treści:
1. Nadprzewodnictwo……………………………………………………………………3
1.1.
Właściwości w stanie nadprzewodzącym……….……………………….…....3
1.2.
Zastosowanie…………………………………………………………….…….5
2. Efekt Meissnera (Meissnera-Ochsenfelda)………………………………….…………6
2.1.
Zastosowanie......................................................................................................7
3. Bibliografia………………………………………………………….………...……….9
2
1. Nadprzewodnictwo
Jest to stan materiału polegający na zerowej rezystancji, osiągany w niskiej temperaturze.
Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 r. przez Kamerlingha Onnesa na podstawie rtęci.
Jest to zjawisko kwantowe, niemożliwe do wyjaśnienia na gruncie fizyki klasycznej [1].
Rys. 1. Zjawisko nadprzewodnictwa [1].
Typowe nadprzewodniki i ich temperatury krytyczne [2]:
TC [K] 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
Stan nadprzewodzący można zniszczyć [3]:
 ogrzewając materiał powyżej temperatury krytycznej;
 umieszczając go w polu magnetycznym większym od pola krytycznego;
 gdy płynie prąd większy niż prąd krytyczny.
3
1.1.
Właściwości w stanie nadprzewodzącym [3]:
1. Opór elektryczny (dla prądu stałego i o małej częstotliwości) równy zero;
2. Opór elektryczny dla prądu o dużej częstotliwości maleje;
3. Temperatura krytyczna zależy od masy izotopu (efekt izotopowy);
4. Zmieniają się rozmaite właściwości związane z absorpcją energii (np. absorpcja
promieniowania elektromagnetycznego i ultradźwięków). Zjawiska te wskazują na
istnienie przerwy energetycznej (zakres energii elektronów w ciele stałym, w którym
elektrony są silnie rozpraszane na atomach). W temperaturze krytycznej przerwa
energetyczna zanika.
5. Diamagnetyzm zewnętrznym polu
zjawisko polegające na indukcji w ciele znajdującym się w
magnetycznym pola
przeciwnego,
osłabiającego
działanie
zewnętrznego pola. Nadprzewodnik jest idealnym diamagnetykiem: wypycha pole
magnetyczne ze swojego wnętrza.
Rys. 2. Zjawisko diamagnetyzmu [3].
6. Pole krytyczne
Nadprzewodniki I rodzaju zachowują się w polu magnetycznym tak, że poniżej pola
krytycznego całkowicie wypychają pole z wnętrza materiału, a powyżej pole wnika, jak do
normalnego metalu.
4
Rys. 3. Nadprzewodnik I rodzaju [3].
Nadprzewodniki II rodzaju w odróżnieniu od nadprzewodników pierwszego rodzaju,
zachowują się tak, że w pewnym zakresie pola magnetycznego, pole częściowo wnika do
wnętrza nadprzewodnika.
Rys. 4. Nadprzewodnik II rodzaju [3].
1.2.
Zastosowanie [4]:
1. Łożyska nadprzewodzące
Do konstrukcji łożysk nadprzewodzących wykorzystuje się zjawisko lewitacji magnesu nad
nadprzewodnikiem. Łożyska takie cechują się bardzo dobra stabilnością oraz małymi
stratami. Znajdują zastosowanie w wielu urządzeniach na przykład w pompach próżniowych.
2. Przewody i druty nadprzewodzące
Druty projektuje się tak, aby odprowadzanie ciepła było zawsze szybsze niż jego
wytwarzanie. Dlatego też włókna nadprzewodzące muszą mieć bardzo małą średnicę rzędu
0,01 mm. Inną wersją przewodu jest pokryta warstwą nadprzewodzącą taśma stalowa lub
miedziana.
5
3. Zastosowanie przemysłowe
Nadprzewodniki metaliczne wykorzystywane są głównie w silnych elektromagnesach.
4. Zastosowanie nadprzewodników w metrologii (SQUID)
 elektronika słabych sygnałów
 elektronika komputerowa
 magnetometry z czujnikiem SQUID-owym w medycynie
5. Ponadto generatory prądu, pociągi
2. Efekt Meissnera (Meissnera-Ochsenfelda)
Jest to zjawisko zaniku pola magnetycznego (wypchnięcia pola magnetycznego) z
nadprzewodnika gdy przechodzi w stan nadprzewodzący, odkryte w 1933 roku przez
Walthera Meissnera i Roberta Ochsenfelda [5].
Zjawisko Meissnera jest podstawą do określenia, czy dany przewodnik o zerowym oporze
elektrycznym jest nadprzewodnikiem [5].
Zewnętrzne pole magnetyczne o natężeniu mniejszym od granicznego nie wnika do
nadprzewodnika, z wyjątkiem cienkiej warstwy przypowierzchniowej nadprzewodnika,
natężenie pola magnetycznego wewnątrz nadprzewodnika jest równe zero. Natężenie
graniczne pola magnetycznego zależy od materiału oraz temperatury nadprzewodnika [5].
Gdy wartość zewnętrznego pola magnetycznego przekroczy natężenie graniczne, wówczas
zjawisko nadprzewodnictwa zanika i pole to zaczyna wnikać do wnętrza materiału. Jeżeli
natężenie pola ponownie będzie się zmniejszać, to znów może być osiągnięty stan
nadprzewodnictwa a pole magnetyczne zostanie wypchnięte z wnętrza próbki. Przyczyną
wypchnięcia jest pojawienie się w powierzchownej warstwie nadprzewodnika prądu
elektrycznego o takim natężeniu, że wytworzone przez niego pole magnetyczne kompensuje
pole magnetyczne wewnątrz nadprzewodnika. Związana z tym siła może utrzymać bryłkę
nadprzewodnika
nad
stacjonarnym
magnesem
–
zjawisko lewitacji nadprzewodnika.
Lewitujący w ten sposób nadprzewodzący magnes ma szczególną właściwość – może
pozostawać w bezruchu (dzięki liniom pola magnetycznego uwięzionym w defektach sieci
krystalicznej) lub wirować [5].
6
Rys. 5. Efekt Meissnera [5].
2.1.
Zastosowanie
Najpopularniejszym zastosowaniem efektu Meissnera jest kolej magnetyczna, potocznie
zwana Maglev. Jest to kolej, w której tradycyjne torowisko zostało zastąpione przez
układ elektromagnesów. Dzięki polu magnetycznemu kolej ta nie ma kontaktu z
powierzchnią toru, gdyż 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 [6].
7
Rys. 6. Kolej magnetyczna w Szanghaju [6].
Rys. 7. Kolej w Japonii [6].
8
3. Bibliografia:
[1] http://pl.wikipedia.org/wiki/Nadprzewodnictwo
[2] http://www.bryk.pl/teksty/liceum/fizyka/obwody_elektryczne/19559nadprzewodnictwo_opis_zjawiska_i_zastosowania_praktyczne.html
[3] http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/maria/pdf/FM_07_12.pdf
[4] www.gim4tychy.pl/prezentacje/nadprzewod.pp
[5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_Meissnera
[6] http://pl.wikipedia.org/wiki/Kolej_magnetyczna
9