Nadprzewodnictwo Jakub Wardziński Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Górnictwo i Geologia Kraków 2016 www.agh.edu.pl

Spis treści Historia nadprzewodnictwa Definicja materiału nadprzewodzącego Teoria Londonów Pole krytyczne Podział nadprzewodników- nadprzewodniki typu I i typu II Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe Zastosowanie nadprzewodnictwa www.agh.edu.pl

Historia nadprzewodnictwa Nadprzewodnictwo zostało odkryte w 1911 roku przez Heike Kamerlingh Onnes. Holenderski fizyk podczas prowadzenia badań nad przewodnictwem różnych materiałów oziębionych ciekłym helem odkrył, że rtęć schłodzona do około 4,2K całkowicie straciła opór elektryczny. Taka graniczna temperatura nazywana jest temperaturą krytyczną (Tc). Heike za badanie właściwości substancji w najniższych temperaturach i skroplenie helu otrzymał w 1913r. Nagrodę Nobla. Został nazwany „ojcem fizyki niskich temperatur”. Heike Kamerlingh Onnes http://home.agh.edu.pl/~gjs/?p=66 Spadek oporu elektrycznego rtęci przy przejściu poniżej temperatury krytycznej (rys. zaczerpnięty z oryginalnej pracy Kamerlingha Onnesa) www.agh.edu.pl

Definicja materiału nadprzewodzącego Nadprzewodnik to materiał, który charakteryzuje się dwoma, szczególnymi właściwościami: Zerowy opór R=0 dla T<Tc Zerowy opór (nieskończone przewodnictwo). Obserwowane jest we wszystkich temperaturach niższych od temperatury krytycznej. Zależność od temperatury oporu elektrycznego wysokotemperaturowego nadprzewodnika M. Cyrot, D. Pavuna „Wstęp do nadprzewodnictwa”

Definicja materiału nadprzewodzącego 2) Zerowa indukcja magnetyczna B=0 wewnątrz nadprzewodnika Jeśli nadprzewodnik schładzany jest w słabym polu magnetycznym do temperatury poniżej Tc, to indukcja magnetyczna wewnątrz tego nadprzewodnika staje się równa zero- strumień magnetyczny zostaje wypychany z wnętrza nadprzewodnika. Zjawisko to nazywane jest efektem Meissnera-Ochsenfelda. Wypychanie słabego, zewnętrznego pola magnetycznego z wnętrza nadprzewodnika M. Cyrot, D. Pavuna „Wstęp do nadprzewodnictwa”

Teoria Londonów W 1935 roku bracia Londonowie zaproponowali opis zarówno zaniku oporu elektrycznego jak i zjawiska Meissnera. Zanik oporności opisuje pierwsze równanie Londonów, wiążące prędkość narastania gęstości prądu dJ/dt z natężeniem pola elektrycznego E: ns- gęstość nadprzewodzących nośników prądu e- ładunek elektryczny nadprzewodzących nośników prądu m- masa nadprzewodzących nośników prądu J- natężenie prądu przypadające na jednostkę powierzchni

Pole krytyczne Zewnętrzne pole magnetyczne obniża gęstość prądu nadprzewodzącego. Powyżej pewnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego, zwanego polem krytycznym Hc nadprzewodnictwo zanika. W temperaturze niewiele niższej od temperatury krytycznej pole krytyczne jest małe- wystarczy bardzo małe pole magnetyczne, by zniszczyć nadprzewodnictwo. Rośnie ono wraz z obniżeniem temperatury. Zależność pola krytycznego od temperatury określa wyrażenie: Pole krytyczne silnie zależy od kształtu próbki. Pole, które działa w pobliżu powierzchni w płaszczyźnie równikowej nadprzewodzącej kulki jest większe od pola zewnętrznego H0, stąd zależność:

J. Stankowski, B. Czyżak „Nadprzewodnictwo” Pole krytyczne Zależność pola wewnątrz nadprzewodnika B od działającego na nadprzewodnik pola H dla nadprzewodników I typu J. Stankowski, B. Czyżak „Nadprzewodnictwo”

Podział nadprzewodników Nadprzewodniki typu I Dla wszystkich wartości pól magnetycznych mniejszych od pola krytycznego Hc, strumień pola nie wnika do próbki. Po przekroczeniu krytycznej wartości Hc cała próbka przechodzi do stanu normalnego i pole wnika do całej jej objętości Zależność namagnesowania –M od pola magnetycznego H dla nadprzewodników I typu J. Stankowski, B. Czyżak „Nadprzewodnictwo”

Podział nadprzewodników Nadprzewodniki typu II Charakteryzują się dwoma polami krytycznymi. W polu magnetycznym niższym od pierwszego pola krytycznego Hc1 strumień pola magnetycznego nie wnika do próbki- pełne zjawisko Meissnera. Po przekroczeniu wartości Hc1 w próbce pojawia się tzw. stan mieszany. Pole magnetyczne wnika częściowo do próbki. Po przekroczeniu wartości pola krytycznego Hc2 stan mieszany znika. Wówczas cała próbka znajduje się w stanie normalnym. Zależność namagnesowania –M od pola magnetycznego H dla nadprzewodników II typu J. Stankowski, B. Czyżak „Nadprzewodnictwo”

Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe W 1986 roku odkryto nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w związkach zawierających tlenki miedzi. W ciągu pierwszych lat od odkrycia wartości temperatury krytycznej dla nowo odkrytych nadprzewodników szybko rosły- tlenek rtęciowo-barowo-wapniowo-miedziany ma temperaturę krytyczną około 130 K. Zmiany temperatury krytycznej od czasu odkrycia zjawiska nadprzewodnictwa http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superconductivity/discovery.php

Zastosowanie nadprzewodnictwa Kable przesyłowe Korzyść z zerowego oporu jest oczywista, ale problemem jest chłodzenie kabla nadprzewodzącego: jest to kosztowne i technicznie trudne.

Zastosowanie nadprzewodnictwa W akceleratorze LHC wykorzystano magnesy nadprzewodnikowe ze stopu niobu i tytanu CERN (Szwajcaria/Francja)

Zastosowanie nadprzewodnictwa Precyzyjny pomiar indukcji pola magnetycznego- SQUID. SQUID jest to pierścień złożony z dwóch nadprzewodników przedzielonych warstwami izolatora. Zmiana pola magnetycznego wewnątrz pierścienia powoduje zmianę płynącego prądu. Zastosowania: medycyna, geofizyka i geologia. Wszelkie dziedziny, gdzie konieczne jest mierzenie słabego pola magnetycznego.

Zastosowanie nadprzewodnictwa Medycyna- magnetoencefalografia (MEG) Urządzenie jest tak dokładne, że wyczuwa pole magnetyczne miliard razy słabsze od pola poruszającego igłę w kompasie. Dzięki SQUID-om możliwa jest nieinwazyjna metoda tomografii.

Zastosowanie nadprzewodnictwa Medycyna- obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI). Najważniejszą częścią urządzenia jest magnes, w którym pole magnetyczne uzyskuje się dzięki przepływowi prądu przez zwoje nadprzewodzące. W ten sposób łatwo kontroluje się natężenie pola niezbędne do obrazowania.

Zastosowanie nadprzewodnictwa Kolej magnetyczna (kolej na poduszce magnetycznej) – kolej poruszająca się bez styku pojazdu z torem, dzięki unoszeniu elektromagnetycznemu przez odpychanie się lub przyciąganie magnesów stałych lub układ elektromagnesów ułożonych w torze i umieszczonych w pojeździe. Japoński L0 Maglev; pociąg na poduszce magnetycznej Shinkansen jest posiadaczem światowego rekordu prędkości wynoszącego 603 km/h

Zastosowanie nadprzewodnictwa

Źródła Gorączka nadprzewodnictwa, Paul C. Canfield, Sergiej L. Bud’ko, Świat Nauki 07/2005 J.Stankowski i B.Czyżak, Nadprzewodnictwo, BG AGH M. Cyrot, D. Pavuna „Wstęp do nadprzewodnictwa”, Wydawnictwo Naukowe PWN home.agh.edu.pl/~gjs/?p=66 (dostęp: 9.04.2016r.) pl.wikipedia.org/wiki/Nadprzewodnictwo (dostęp: 9.04.2016r.) http://home.agh.edu.pl/~gjs/?p=66 (dostęp: 9.04.2016r.) http://kft.umcs.lublin.pl/doman/lectures/domanski_in_umcs.pdf (dostęp: 10.04.2016r.) http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/maria/pdf/INM_08_5.pdf (dostęp 10.04.2016r.) https://pl.wikipedia.org/wiki/Kolej_magnetyczna (dostęp: 10.04.2016r.)