Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz ich wykorzystanie

Nadprzewodnictwo i efekt
Meissnera oraz ich wykorzystanie
Anna Rutkowska IMM sem. 2 mgr
Gdańsk, 2012
Spis treści:
1. Nadprzewodnictwo......................................................................................................................................3
2. Efekt Meissnera............................................................................................................................................5
2.1 Lewitacja....................................................................................................................................................5
3. Zastosowanie................................................................................................................................................6
3.1 Kolej magnetyczna.....................................................................................................................................7
4. Bibliografia..................................................................................................................................................8
2
1. Nadprzewodnictwo
Nadprzewodnictwo to taki stan materiału, w którym następuje całkowity zanik oporu elektrycznego
(rezystancji). Materiał w tym stanie staje się doskonałym diamagnetykiem.
Materiał w stanie nadprzewodzącym nazywany jest nadprzewodnikiem. Wyróżniamy nadprzewodniki:
o niskotemperaturowe - są to materiały, których temperatura przejścia w stan nadprzewodnictwa jest
niższa od temperatury ciekłego azotu (<77K)
o wysokotemperaturowe - są to materiały, których temperatura
przejścia w stan nadprzewodnictwa jest wyższa od temperatury
ciekłego azotu (>77K) Są to na przykład tlenki miedzi o strukturze
krystalicznej typu perowskitu (kryształ perowskitu widoczny jest
Rys. 1 Kryształ perowskitu.
na zdjęciu obok).
Diamagnetyzm – zjawisko polegające na indukcji w ciele znajdującym się w zewnętrznym polu
magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola.
Nadprzewodniki dzielimy na (Rys. 2):
o 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.
o 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.
Rys. 2 Wykresy namagnesowania
nadprzewodnika I rodzaju
(górny) i II rodzaju (dolny).
3
Parametry odpowiadające za przejście ze stanu
normalnego do nadprzewodzącego:
•
Temperatura krytyczna
•
Krytyczne pole magnetyczne
Z wykresu wynika, że normalny przewodnik
przechodzi do stanu nadprzewodzącego jeśli
obniżymy jego temperaturę poniżej temperatury
krytycznej, Tc, Wartość temperatury krytycznej
zależy
od
natężenia
zewnętrznego
pola
Rys. 3 Diagram fazowy przejścia ze stanu
nadprzewodzącego do normalnego stanu
materiału.
magnetycznego ( Hc ) i jest maksymalna w
nieobecności tego pola.
T>Tc – stan normalny materiału, wzrost zewnętrznego pola magnetycznego również powoduje przejście
materiału do stanu normalnego.
Krytyczne natężenie pola magnetycznego i temperatura krytyczna są skorelowane. Im niższe pole
magnetyczne tym wyższa temperatura krytyczna i na odwrót im wyższa temperatura krytyczna tym niższe
natężanie pola krytycznego.
Materiały przechodzące w stan nadprzewodzący:
•
Materiały przechodzące w stan nadprzewodzenia w niskich temperaturach: rtęć, kadm, ołów, cynk,
cyna, glin, iryd, platyna i inne
•
Tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem: tlen, fosfor, żelazo, siarka, german, lit, itp.
•
Cienkie warstwy: wolfram, beryl,chrom.
•
Nie osiągnięto efektu nadprzewodzenia: srebro, miedź, złoto, gazy szlachetne, wodór.
Istnieją nadprzewodniki konwencjonalne czyli takie, które dają się dobrze opisać teorią BCS oraz
nadprzewodniki niekonwencjonalne – nie posiadające teorii tłumaczącej ich właściwości.
Teoria BCS – mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa zakładająca, że nośniki ładunków w przewodnikach
(fermiony) mogą łączyć się w pary (pary Coopera), które są bozonami i podlegają kondensacji BosegoEinsteina. Natomiast skondensowane pary potrafią bezoporowo poruszać się we wnętrzu nadprzewodnika.
4
2. Efekt Meissnera
Efekt Meissnera to zjawisko polegające na całkowitym wypychaniu pola magnetycznego z
nadprzewodnika. Może być stosowany do odróżniania nadprzewodników od przewodników o zerowym
oporze.
Zewnętrzne pole magnetyczne o natężeniu mniejszym od granicznego nie wnika do nadprzewodnika, z
wyjątkiem cienkiej warstwy przypowierzchniowej nadprzewodnika (grubość tej warstwy to głębokość
wnikania Londonów), natężenie pola magnetycznego wewnątrz jest równe zero.
2.1 Lewitacja
Zewnętrzne pole magnetyczne o natężeniu mniejszym od granicznego nie wnika do nadprzewodnika, z
wyjątkiem cienkiej warstwy przypowierzchniowej. Przyczyną wypychania pola magnetycznego 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 może pozostawać w bezruchu (dzięki liniom pola
magnetycznego uwięzionym w defektach sieci krystalicznej) lub wirować. Podczas wypchnięcia pola
magnetycznego próbka wytwarza pole kompensujące, a siła z tym związana może utrzymać bryłkę nad
magnesem.
Rys. 4 i 5 Zjawisko lewitacji
5
3. Zastosowanie
Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera mogą zostać wykorzystywane do:
o budowy silnych magnesów i elektromagnesów nadprzewodzących, w których prąd elektryczny
porusza się niemal dowolnie długo. Pociąga to za sobą szanse na wytwarzanie bardzo dużych pól
magnetycznych (głównie akceleratory).
o Konstruowania wydajnych systemów analitycznych, znajdujących zastosowanie m.in. w chemii,
biologii i medycynie.
o Możliwości produkcji bardzo pojemnych pamięci komputerowych i elektronicznych
o Wytwarzania aparatury przydatnej w przeprowadzaniu procesu elektrolizy
o Budowy przewodów oraz kabli służących do wydajnego, bezstratnego transportu prądu
o Systemów przeciwzwarciowych, układów ograniczających prądy zwarcia w sieciach.
o Tworzenia złączy Josephsona – efekt polega na tunelowaniu elektronów między dwoma
nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik - izolator - nadprzewodnik.
Rys. 6 Zastosowanie nadprzewodnictwa i efektu Meissnera (akcelerator, złącze Josephsona, przewody
elektryczne, złącza elektroniczne).
6
3.1 Kolej magnetyczna
Ze względu na wysokie koszty utrzymania nadprzewodników w niskiej temperaturze, stosowane są one
prawie wyłącznie w celach naukowych, a jedynym ich zastosowaniem komercyjnym jest kolej
magnetyczna dużych prędkości pozwalająca na bardzo szybkie przemieszczanie się na duże odległości.
Pierwszy publicznie dostępny Maglev został otwarty w 1984 w Birmingham. Został zamknięty ze względu
na dużą zawodność linii i wysokie koszty napraw.
Drugą w świecie linią komercyjną był berliński M-Bahn (Magnetbahn), istniejący w latach 1989-1991.
Również przestał istnieć z powodu zbyt dużych kosztów, choć oficjalnie zakończono testy nad tą linią.
Mimo, że wyszły pozytywnie, linii nie przywrócono na stałe.
Od 2003 istnieje w Szanghaju najdłuższa na świecie trasa kolei magnetycznej Transrapid zbudowana przez
niemiecką firmę Transrapid International. Długość trasy wynosi około 30 km, pokonywana jest w 7 minut i
20 sekund. Pociąg rozwija maksymalną prędkość 431 km/h. Obecnie jest to jedyna kolej magnetyczna na
świecie przewożąca pasażerów.
Rys. 7 Szanghaj, kolej Transrapid
Rys. 8 testowa kolej magnetyczna, Lathen, Niemcy
7
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
http://www.zjawiska.pl/fizyczne/efekt-meissnera/
http://pl.wikipedia.org/wiki/Nadprzewodnictwo
http://portalwiedzy.onet.pl/21797,,,,nadprzewodnictwo,haslo.html
http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_Meissnera
http://pl.wikipedia.org/wiki/Diamagnetyzm
http://www.bryk.pl/teksty/liceum/fizyka/obwody_elektryczne/19559nadprzewodnictwo_opis_zjawi
ska_i_zastosowania_praktyczne.html
8