POLITECHNIKA GDAŃSKA Nadprzewodnictwo i Efekt Meissnera

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Nadprzewodnictwo i Efekt Meissnera oraz ich wykorzystanie
Joanna Skrzypczak,
Inżynieria mechaniczno-medyczna,
sem. 2, st. II
Gdańsk, 2013
Spis treści:
1. Nadprzewodnictwo…………………………………………………………………….3
1.1 Podział nadprzewodników…………………………………………………………3
1.2 Właściwości w stanie nadprzewodzącym………………………………………….4
2. Efekt Meissnera………………………………………………………………………...5
3. Zastosowanie nadprzewodnictwa i Efektu Meissnera…………………………………6
3.1 Kolej magnetyczna…………………………………………………………………8
4. Literatura……………………………………………………………………………….9
2
1. Nadprzewodnictwo
Nadprzewodnictwo – stan materiału polegający na zerowej rezystancji, jest osiągany
w niektórych materiałach w niskiej, mniejszej od pewnej, charakterystycznej dla danego
materiału
temperaturze,
tzw.
temperaturze
krytycznej.
Nadprzewodnictwo
jest
obserwowane w różnorodnych materiałach: niektórych pierwiastkach (na przykład w cynie,
rtęci i ołowiu), stopach, ceramikach tlenkowych czy materiałach organicznych.
1.2 Podział nadprzewodników
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 I rodzaju – do wartości krytycznej namagnesowanie rośnie wprost
proporcjonalnie do wartości indukcji magnetycznej. Indukcja wzrośnie powyżej
wartości krytycznej materiał przechodzi natychmiast ze stanu nadprzewodzącego
do stanu normalnego. Brak stanu mieszanego.
Rys.1. Wykresy namagnesowania nadprzewodnika I rodzaju (górny) i II rodzaju (dolny).
3

Nadprzewodniki II rodzaju - namagnesowanie początkowo rośnie tak jak poprzednio
aż do wartości Bkr1, następnie zaczyna maleć i osiąga wartość zerową, co odpowiada
przejściu do stanu normalnego, po przekroczeniu przez indukcję wartości Bkr2.
W zakresie indukcji pomiędzy Bkr1 i Bkr2 – istnieje stan mieszany.

Nadprzewodniki
niskotemperaturowe,
o
temperaturze
przejścia
w
stan
w
stan
nadprzewodnictwa poniżej temperatury wrzenia ciekłego azotu (77 K),

Nadprzewodniki
wysokotemperaturowe,
o
temperaturze
przejścia
nadprzewodnictwa powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu (77 K).
1.1 Właściwości w stanie nadprzewodzącym:
1. Opór elektryczny dla prądu stałego i o małej częstotliwości poniżej temperatury
krytycznej jest równy zero. W temperaturze krytycznej następuje bardzo szybki zanik
rezystywności. Zanik ten następuje w bardzo wąskim przedziale temperatury
rzędu 0.05 K.
Rys. 2.Wykres zależności rezystywności materiału od temperatury.
2. Opór elektryczny dla prądu o dużej częstotliwości maleje.
3. Temperatura krytyczna zależy od masy izotopu (efekt izotopowy).
4. Zmieniają się właściwości związane z absorpcją energii (np. absorpcja promieniowania
elektromagnetycznego i ultradźwięków).
4
5. Diamagnetyzm - zjawisko zachodzące wewnątrz ciała i polegające na jego
magnesowaniu się w kierunku przeciwnym niż zewnętrzne pole magnetyczne, które
na nie oddziałuje. Nadprzewodnik jest idealnym diamagnetykiem: wypycha pole
magnetyczne ze swojego wnętrza.
Rys. 3. Zjawisko diamagnetyzmu.
2. Efekt Meissnera (Efekt Meissnera-Ochsenfelda)
Efekt Meissnera to zjawisko odkryte w 1933 roku przez Walthera Meissnera i Roberta
Ochsenfelda. Polega na wypchnięciu 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.
Rys.4. Linie pola magnetycznego zostają wypchnięte z nadprzewodnika w temperaturze niższej
od temperatury krytycznej.
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.
Podczas takiego procesu tworzy się siła, która jest w stanie utrzymać baryłkę
nadprzewodnika ponad powierzchnią stacjonarnego magnesu (lewitacja nadprzewodnika).
Podczas tego zjawiska nadprzewodzący magnes może pozostawać w bezruchu (gdy linie pola
magnetycznego zostają uwięzione w defektach sieci krystalicznej) bądź wirować (w przypadku
zmiany defektów sieci krystalicznej).
Rys. 5. Magnes lewitujący nad nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym chłodzony ciekłym azotem.
3. Zastosowanie nadprzewodnictwa i Efektu Meissnera:
Nadprzewodniki są bardzo istotne w technice i nauce głównie ze względu na ich
specyficznej własności, tj. brak oporności podczas przepływu prądu. Dzięki temu możliwe
jest niemal nieograniczone czerpanie energii elektrycznej z przepływu prądu przez ciało
nadprzewodzące.
Zastosowanie nadprzewodników w akceleratorach kołowych zapewnia uzyskanie
silniejszych pól magnetycznych służących do rozpędzania wiązek cząstek w akceleratorze,
a zatem pomaga nadać im wielkie energie i prędkości.
6
Można podobny efekt uzyskać stosując duże i silne elektromagnesy, ale pojawiający się
wówczas opór zużyty jest na wydzielanie się dużych ilości ciepła, co nie tylko może być
niebezpieczne, ale i odpowiada za stratę energii. Jeżeli w zamian zastosować cewki
nadprzewodzące, uzyska się silne i trwale magnetyczne pola przyśpieszające kosztem mniejszej
doprowadzonej pracy.
W konstrukcji łożysk nadprzewodzących wykorzystuje się zjawisko lewitacji magnesu
nad
nadprzewodnikiem.
Część
stałą
łożyska
wykonuje
się
z
nadprzewodnika
wysokotemperaturowego, natomiast część wirującą stanowi magnes stały. Magnes jest
odpychany od nadprzewodnika siłami lewitacji, dzięki czemu można osiągnąć prędkość
obrotową do 135 000 obrotów/min.
Nadprzewodnictwo stosowane jest także w innych dziedzinach. W medycynie
wykorzystuje się nadprzewodnikowe elektromagnesy w aparatach rezonansu magnetycznego
(MRI). Nadprzewodniki można także wykorzystywać do wytwarzania kabli i przewodów
służących
do
przesyłania
energii
elektrycznej,
systemów
przeciwzwarciowych,
czy do przyspieszania sygnałów w układach scalonych.
Rys. 6. Przewody nadprzewodzące: 1 - Taśma oplatająca chroni kabel przy pracach instalacyjnych;
2 – Izolacja elektryczna; 3 - Izolacja cieplna; 4 - Taśma nadprzewodząca; 5 - Elastyczny kanał dla ciekłego azotu
7
3.1 Kolej magnetyczna
Najpopularniejszym zastosowaniem Efektu Meissnera jest kolej magnetyczna,
czyli kolej dużych prędkości, w której tradycyjne torowisko zostało zastąpione przez układ
elektromagnesów. Dzięki polu magnetycznemu kolej ta nie ma kontaktu z powierzchnią toru,
gdyż praktycznie cały czas unosi się nad nim. Do realizacji tego zadania wykorzystuje się
elektromagnesy wykonane z nadprzewodników lub konwencjonalne.
Rys.7. Kolej magnetyczna w Szanghaju.
Pojazdy mogą rozwijać duże prędkości. Dzięki zastosowaniu magnesów eliminowane
jest tarcie kół, które w tradycyjnych pociągach znacznie ogranicza maksymalną prędkość jazdy.
Przede wszystkim jednak omija się problem dynamiki koło-szyna, gdzie występują zjawiska
o charakterze rezonansowym ograniczające bezpieczny zakres prędkości.
Od 2003 istnieje w Szanghaju najdłuższa na świecie trasa kolei magnetycznej: długość
trasy wynosi około 30 km, pokonywana jest w 7 minut i 20 sekund. Pociąg rozwija maksymalną
prędkość 431 km/h.
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 otoczenia.
8
Literatura:

http://www.magnesy-neodymowe.info.pl/

http://www.wprost.pl/ar/50792/Nadprzewodnicy-nauki/?pg=0

http://kft.umcs.lublin.pl/doman/lectures/festiwal.pdf

http://www.jeybi.republika.pl/n1tajemnice_nadprzewodnictwa4.html

http://www.iwiedza.net/materialy/m006.html

http://grafffiti.pl/efekt-meissnera.html

http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/maria/pdf/FM_07_12.pdf
9