NADPRZEWODNICTWO
advertisement
Nadprzewodnictwo Marta Szuplak II c Magda Sornek II c Nadprzewodnictwo Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym, że w pewnych warunkach ma on zerową rezystancję. Innymi ważnymi zjawiskami zachodzącymi w nadprzewodnikach są: wypychanie pola magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie strumienia magnetycznego przechodzącego przez nadprzewodzącą pętle. Większość przewodników wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K (-273,15°C). Historia Nadprzewodnictwa K. Onnes W roku 1911 Holender K. Onnes na skutek wielu doświadczeń dotyczących zachowania się metali w niskich temperaturach odkrył nadprzewodnictwo, zaobserwował on bowiem nagły spadek rezystancji rtęci w ciekłym helu w temperaturze 4.15 °K. Prawie dwadzieścia lat później dwaj Holendrzy, W. J. de Haas oraz J. Voogd kontynuując prace Onnesa zauważyli, iż przewodnik wykonany ze stopu Pb - Bi w polu magnetycznym o natężeniu 16 000 do 20 000 gaussów posiada temperaturę krytyczną 8.8 °K. Odkrycie to rozpoczęło zaawansowane badania nad nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi. Niestety, ze względu na olbrzymie trudności materiałowo technologiczne dalsze badania zostały zarzucone na następne dwadzieścia lat. Historia Nadprzewodnictwa W 1900 roku Paul Drude opracował teorię przewodnictwa metali. Teoria Drudego dość dobrze opisywała przewodnictwo elektryczne i cieplne metali, jednak zupełnie nie sprawdzała się przy opisie ciepła właściwego. Trudności te przezwyciężyła dopiero teoria zaproponowana przez Petera Debye'a, który zastosował do opisu ciała stałego mechanikę kwantową. Historia Nadprzewodnictwa W 1933 roku Walther Meissner i Robert Ochsenfeld dokonali odkrycia drugiej niezwykle ważnej własności nadprzewodników, mianowicie zjawiska usuwania z ich wnętrza pola magnetycznego. Zanik oporu elektrycznego i zjawisko Meissnera uważa się za podstawowe własności nadprzewodników. Teoretyczny opis tych zjawisk przedstawili w 1935 roku bracia Fritz i Heinz Londonowie, uzupełniając elektrodynamikę Maxwella. W roku 1950 Witalij Ginzburg i Lew Landau opublikowali teorię nadprzewodnictwa. Jednak własności nadprzewodników były niezwykle trudne do wyjaśnienia na gruncie teorii mikroskopowej.Nawet w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego, gdy spodziewalibyśmy się zaniku rozproszenia na fononach, występuje pewien opór elektryczny metalu pochodzący od rozproszenia elektronów na defektach sieci krystalicznej. Robert Ochsenfeld Historia Nadprzewodnictwa Do dzisiaj nie ma zadowalającego modelu opisującego opór metali w najniższych temperaturach. A jednak opór elektryczny nadprzewodników maleje do zera i to w temperaturze znacznie wyższej od zera bezwzględnego! Dopiero w pół wieku od odkrycia nadprzewodnictwa pojawił się zadowalający mikroskopowy opis tego zjawiska, zaproponowany przez J. Bardeena, L. Coopera i J. R. Schrieffera w latach pięćdziesiątych, a zwany od inicjałów jego twórców teorią BCS. John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer Historia Nadprzewodnictwa Okazało się, że w niektórych metalach, w odpowiednio niskiej temperaturze, swobodne elektrony mogą się przyciągać za pośrednictwem drgań sieci, tworząc pary elektronów zwane parami Coopera. Było to odkrycie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego przez J. G. Bednorza i K. A. Mullera. J.G Bednorz i K.A. Muller Można je porównać z odkryciem elektroniki kwantowej fizyki maserów i laserów. Po tym odkryciu zaistniała konieczność ponownego rozpatrzenia podstaw nadprzewodnictwa klasycznego. Nadprzewodniki dają nam fascynujące możliwości obserwowania w skali makroskopowej zjawisk będących konsekwencją własności mikroskopowych; do takich zjawisk należy kwantowanie strumienia magnetycznego oraz zjawisko Josephsona. Nagrody Nobla Rok Nazwisko Za co? 1913 Heike Kamerlingh - Onnes Odkrycie zjawiska nadprzewodnictwa 1962 Lew Landau Wiele prac poświęcił nadprzewodnictwu 1972 John Bardeeu Leon Cooper John Schrie Twórcy mikroskopowej teorii nadprzewodnictwa 1973 Ivar Giaever Brian Josephson Elektronika tunelowa nadprzewodnictwa 1987 Georg Bednorz Karl Miiller Materiały ceramiczne 1996 Robert Curlow Richard Smalley Harold Kroto Odkrycie nowej odmiany węgla 2003 Anthony James Leggett Wkład w rozwój teorii nadprzewodnictwa i nadciekłości ZASTOSOWANIE Najwięcej zastosowań znalazły nadprzewodniki ze względu na swoją zerową oporność elektryczną Łożyska nadprzewodzące Do konstrukcji łożysk nadprzewodzących wykorzystuje się zjawisko lewitacji magnesu nad nadprzewodnikiem. Łożyska takie cechują się bardzo dobra stabilnością oraz małymi stratami. Znajduję zastosowanie w wielu urządzeniach na przykład w pompach próżniowych. 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. Aby wytworzyć przewody, stosuje się podłoże z elastycznego materiału, zawierające ścieżkę nadprzewodzącą. Najprostszy przewód nadprzewodzący stanowi pręt lub rura miedziana pokryta warstwą nadprzewodnika. Inną wersją przewodu jest pokryta warstwą nadprzewodzącą taśma stalowa lub miedziana Zastosowanie przemysłowe Brak strat energii na wydzielanie ciepła w trakcie przepływu prądu elektrycznego w nadprzewodniku stwarza możliwości praktycznego zastosowania nadprzewodników. Ograniczeniem w ich stosowaniu jest konieczność utrzymywania materiału w niskiej temperaturze, oraz to, że poznane dotychczas nadprzewodniki wysokotemperaturowe są materiałami ceramicznymi (a więc są kruche, sztywne itd.). Nadprzewodniki metaliczne wykorzystywane są głównie w silnych elektromagnesach. Zastosowanie przemysłowe Nadprzewodniki wysokotemperaturowe znajdą wkrótce powszechne zastosowanie w przemyśle chemicznym. Dlatego ich własności i sposoby wytwarzania są ważne dla technologii chemicznej. Nadprzewodniki mogą znaleźć zastosowanie również w elektronice. Zastosowanie nadprzewodników w metrologii (SQUID) elektronika słabych sygnałów josephsonowska elektronika komputerowa magnetometry z czujnikiem SQUID-owym w medycynie MAGLEV Kolej magnetyczna (zwana czasem Maglev od ang. magnetic levitation - lewitacja magnetyczna) 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). Mogą przez to rozwijać duże prędkości. Dzięki zastosowaniu magnesów eliminowane jest tarcie kół, które w tradycyjnych pociągach znacznie ogranicza maksymalną prędkość jazdy. Dzięki temu maglevy zbliżają się do 600 km/h (rekord świata w prędkości magleva należy do japońskiej jego wersji, został osiągnięty 2 XII 2003 i wynosi 581 km/h). Istnieją linie kolei magnetycznej w Japonii, Niemczech i Chinach. Od 2003 istnieje w Szanghaju najdłuższa na świecie, pierwsza komercyjna trasa kolei magnetycznej Transrapid zbudowana przez niemiecką firmę Transrapid International. Długość trasy wynosi około 30 km, pokonywana jest w 8 minut. Pociąg rozwija maksymalną prędkość 430 km/h. Podstawowe własności nadprzewodników Rozpraszanie elektronów na fononach jest proporcjonalne do energii fononu, a ta z kolei rośnie wraz z temperatura. Ciekawym sposobem demonstrowania zerowego oporu jest wzbudzenie prądu w zamkniętym pierścieniu z nadprzewodzącego metalu. Przeprowadzono doświadczenia, w których "trwały prąd" płynął w takim pierścieniu przez ponad dwa i pół roku bez mierzalnego osłabienia. Wynika stad, że opór nadprzewodnika jest mniejszy niż 10-23 Ohm cm, co jest wartościa o 18 rzędów mniejsza od oporu miedzi w temperaturze pokojowej. Plany na przyszłość Postęp nauki przyczynia się do poznawania substancji, które umożliwiają bezstratny przepływ prądu w coraz wyższych temperaturach. Wciąż jednak jest to temperatura zbyt niska dla praktycznych zastosowań i wykorzystanie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w masowych zastosowaniach. Oczekuje się odkrycia taniego nadprzewodnika, który pracowałby w temperaturze normalnej (a więc do ok. 20°C). LINKI http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/c_na dprzewodnictwo/historia.html www.jeybi.republika.pl/n4rys1.gif http://pl.wikipedia.org/wiki/Nadprzewodnictwo KONIEC Dziękujemy za uwagę :)
