Nadprzewodnictwo AGH, WGiG, ZiIP Katarzyna Sobczyk Karolina Więcek

Spis treści Historia Definicja Rodzaje nadprzewodników Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe Własności - zanik oporu elektrycznego - spadek podatności magnetycznej - wystąpienie absorpcji mikrofalowej 6. Zjawiska - kwantowanie strumienia magnetycznego - zjawisko Josephsona 7. Zastosowania

Historia Za odkrywcę zjawiska nadprzewodnictwa uznaje się Heike Kamerlingh-Onnesa, który w swoim centrum badań kriogenicznych w Lejdzie w 1911r. zaobserwował zanik oporu elektrycznego rtęci. Za wykonanie pierwszego magnesu nadprzewodnikowego w 1913r. Otrzymał Nagrodę Nobla.

Definicja Nadprzewodnictwo – jest to stan materiału polegający na zerowej rezystancji, jest osiągany w niektórych materiałach w niskiej temperaturze. Drugim charakterystycznym dla nadprzewodników efektem jest wypychanie z materiału pola magnetycznego, zwane efektem Meissnera (w nadprzewodnikach pierwszego rodzaju), lub skupianie pola magnetycznego w „wiry” (w nadprzewodnikach drugiego rodzaju).

Nadprzewodniki Rezystancję możemy podzielić na oporność idealną oraz resztkową. Źródłem pierwszej z nich jest rozpraszanie elektronów na drganiach termicznych sieci krystalicznej, natomiast drugiej – rozpraszanie elektronów na niedoskonałościach, które zaburzają periodyczność sieci.

Rodzaje nadprzewodników Nadprzewodniki I rodzaju, w których przy określonym krytycznym polu magnetycznym BC dochodzi do zniszczenia stanu nadprzewodzącego,

Rodzaje nadprzewodników Nadprzewodniki II rodzaju charakteryzują się dwoma polami krytycznymi. W polu magnetycznym niższym od pierwszego pola krytycznego, strumień pola magnetycznego nie wnika do próbki – mamy do czynienia z pełnym zjawiskiem Meissnera, podobnie jak w przypadku nadprzewodników I typu. Gdy pole magnetyczne przekroczy wartość pierwszego pola krytycznego, w próbce pojawia się tzw. Stan mieszany, będący współistnieniem obszarów nadprzewodzących i normalnych. Pole magnetyczne wnika częściowo do próbki. Stan mieszany zanika, gdy pole magnetyczne przekroczy wartość drugiego pola krytycznego. Wówczas cała próbka znajduje się w stanie normalnym.

Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe W 1986 odkryto (J.G. Bednorz, K.A. Müller) tzw. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe, dla których 𝑇 𝑘 są wyższe od temperatury wrzenia ciekłego azotu ( tj. od ok. 77 K ). Rok po swoim odkryciu Bednorz i Mueller dostali Nagrodę Nobla. Ruszyła lawina odkryć, a temperatura nadprzewodnictwa zaczęła się przesuwać w górę.

Materiały nadprzewodzące Ciągle poszukuje się substancji o jak najniższej rezystywności. Obecnie substancjami o najniższej rezystywności w temperaturze pokojowej są srebro i miedź.

Materiały nadprzewodzące

Zanik oporu elektrycznego Własności Zanik oporu elektrycznego Zanik oporności opisuje pierwsze równanie Londonów, wiążące prędkość narastania gęstości prądu z natężeniem pola elektrycznego. Wzrost natężenia prądu jest w tym modelu nieograniczony i proporcjonalny do natężenia pola elektrycznego, co jest równoznaczne z brakiem jakiegokolwiek mechanizmu rozpraszania nośników prądu. Zerowy opór, tzn. nieskończone przewodnictwo, obserwuje się w nadprzewodniku we wszystkich temperaturach niższych od temperatury krytycznej Tc

Własności Pole krytyczne Już Kamerling-Onnes po odkryciu nadprzewodnictwa stwierdził, że zewnętrzne pole magnetyczne obniża gęstość prądu nadprzewodzącego, a powyżej pewnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego, zwanej polem krytycznym, 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:

𝛻 2 𝐵 = 𝐵 λ 2 Własności Spadek podatności magnetycznej Efekt Meissnera jest podstawą do określenia czy dany przewodnik o zerowym oporze elektrycznym jest nadprzewodnikiem. Zewnętrzne pole magnetyczne o natężeniu mniejszym od granicznego nie wnika do nadprzewodnika, z wyjątkiem cienkiej warstwy przypowierzchniowej nadprzewodnika (grubość tej warstwy nazywa się głębokością wnikania Londonów). 𝛻 2 𝐵 = 𝐵 λ 2

Własności 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. Namagnesowany przedmiot lewituje nad nadprzewodnikiem schłodzonym poniżej temperatury przejścia.

Własności

Wystąpienie absorpcji mikrofalowej Własności Wystąpienie absorpcji mikrofalowej Mechanizm pochłaniania mikrofal przez materiał nadprzewodzący jest dosyć złożony. Jedną z przyczyn tego zjawiska są straty, jakie powstają podczas tunelowania nośników prądu pomiędzy nadprzewodzącymi ziarnami, z których składają się próbki ceramiczne lub rozpraszanie nośników na innych defektach i niejednorodnościach. Oczywiście, zjawisko absorpcji mikrofalowej nie zachodzi, jeśli próbka znajduje się w stanie normalnym, a więc nienadprzewodzącym.

Kwantowanie strumienia magnetycznego Zjawiska Kwantowanie strumienia magnetycznego Nadprzewodniki dają nam fascynujące możliwości obserwacji w skali makroskopowej zjawisk będących konsekwencją własności mikroskopowych. Do takich zjawisk należy kwantowanie strumienia magnetycznego. Strumień pola magnetycznego, zamrożony wewnątrz nadprzewodzącego torusa jest skwantowany. W dużym przybliżeniu możemy więc powiedzieć, że nadprzewodzący torus zachowuje się jak atom wodoru. Prąd stacjonarny płynie bez zmiany energii torusa, a zmianie prądu musi towarzyszyć zmiana strumienia, który ze swej natury jest skwantowany. 𝛷 = 𝑛 𝛷 0

Zjawiska Zjawisko Josephsona Efekt ten polega na tunelowaniu elektronów między dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik (tzw. złącze Josephsona). Nadprzewodniki rozdzielone są cienką warstwą wykonaną z dielektryka (izolatora) o grubości nanometrów. Stałoprądowe zjawisko Josephsona: stały prąd płynie bez przyłożonego napięcia, natomiast przy przyłożonym napięciu płynie zmienny prąd. Natężenie prądu płynącego przez złącze jest opisywane przez pierwsze prawo Josephsona:

Przewody nadprzewodzące Zastosowania Przewody nadprzewodzące Nadprzewodniki ze względu na swoją zerową oporność największe nadzieje budzą w branży energetycznej. Parametrami stanowiącymi o przydatności danego nadprzewodnika do celów technicznych są temperatura, pola i prądy krytyczne.

Zastosowania Nadprzewodzące linie przesyłowe W tzw. kriokablach stosowane są dwa rozwiązania: - normalny kabel schładzany do niskiej temperatury - kabel nadprzewodzący

Nadprzewodzące elektromagnesy Zastosowania Nadprzewodzące elektromagnesy Nadprzewodniki dały możliwość łatwego wytworzenia bardzo silnych pól magnetycznych. Dzięki nim buduje się gigantyczne magnesy wytwarzające pole rzędu 10^6 A/m w objętości rzędu m³. Nadprzewodzący elektromagnes stanowi cewka wykonana z N zwojów drutu nadprzewodzącego zanurzona w cieczy kriogenicznej, przez którą płynie prąd o natężeniu I. Powyższa technologia znalazła zastosowanie w różnych dziedzinach: Medycynie (rezonans magnetyczny) Chemii (spektroskopia) Fizyce jądrowej (elektromagnesy w przyspieszaczach cząstek elementarnych)

Zastosowania Kolej magnetyczna Dzięki polu magnetycznemu kolej ta nie ma kontaktu z powierzchnią toru, gdyż praktycznie cały czas unosi się nad nim (przy małych prędkościach niezbędne są koła, gdyż indukuje się wówczas zbyt mała siła, niewystarczająca do utrzymania pociągu w torze). Pojazdy mogą przez to rozwijać duże prędkości. Dzięki zastosowaniu magnesów eliminowane jest tarcie kół, które w tradycyjnych pociągach znacznie ogranicza maksymalną prędkość jazdy.

Film

Dziękuję!