Nadprzewodnictwo AGH, WGiG, ZiIP Katarzyna Sobczyk Karolina Więcek.

Prezentacja na temat: "Nadprzewodnictwo AGH, WGiG, ZiIP Katarzyna Sobczyk Karolina Więcek."— Zapis prezentacji:

1 Nadprzewodnictwo AGH, WGiG, ZiIP Katarzyna Sobczyk Karolina Więcek

2 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

3 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.

4 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).

5 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.

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

7 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.

8 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.

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

10 Materiały nadprzewodzące

11 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

12 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:

13 𝛻 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

14 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.

15 Własności

16 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.

17 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

18 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:

19 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.

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

21 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)

22 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.

23 Film

24 Dziękuję!