Supravodljivost

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Magnet koji lebdi iznad supravodiča zbog Meissnerovog učinka.
Visokotemperaturni supravodič lebdi (levitacija) iznad magneta.
Električni kablovi (električni vodiči) za akcelerator čestica u CERN-u. Obje vrste vodiča (tanki i debeli) mogu provoditi električnu struju do 12 500 A. Gore: standardni kablovi za LEP (Veliki sudarivač elektrona i pozitrona); dolje: kablovi na osnovi supravodiča za LHC (Veliki hadronski sudarač).
Supravodljivi magnet NMR-spektrometra, koji se koristi u nuklearnoj magnetskoj rezonanciji.

Supravodljivost je stanje pojedinih tvari koje se na niskim temperaturama očituje u nestanku njihova električnoga otpora, prolasku električne struje kroz tanku izolatorsku barijeru unutar njih bez električnoga otpora (Josephsonov učinak - Brian Josephson) i lebdenju magneta iznad njihove površine (Meissnerov učinak - Walther Meissner). [1] Supravodljivost je kvantnomehanička pojava i ne može se objasniti klasičnom fizikom. Tipično nastaje u nekim materijalima na jako niskim temperaturama (nižim od -200 °C).

Povijest[uredi VE | uredi]

Supravodljivost je 1911. otkrio Heike Kamerlingh Onnes dok je proučavao ovisnost električnoga otpora žive o temperaturi. Primijetio je da na temperaturama nižima od 4.2 K (-269 °C) električni otpor pada na nemjerljivo malu vrijednost. Zbog supravodljivosti će, na primjer, u olovnom prstenu uronjenom u ukapljeni helij, istosmjerna električna struja nastaviti teći i godinama nakon što se izvor struje isključi. Walther Meissner je 1933. otkrio da se metali ohlađeni do supravodljivoga stanja ponašaju kao savršeni dijamagneti, tj. u tankom površinskom sloju induciraju se struje koje stvaraju takvo magnetno polje koje poništava vanjsko polje, te je u unutrašnjosti supravodiča magnetno polje jednako nuli. Ako se na primjer na materijal koji može biti supravodljiv na temperaturama višima od 100 K postavi lagani magnet i ako se materijal polije ukapljenim dušikom, magnet će se podići iznad njega i lebdjeti.

Supravodljivo stanje određuju tri čimbenika svojstvena svakoj tvari: kritična temperatura, kritična magnetska indukcija i kritična gustoća električne struje. Ako je samo jedan od tih triju čimbenika veći od kritične vrijednosti, tvar ne može biti u supravodljivom stanju. Supravodiči se mogu podijeliti na:

  • supravodiče prve vrste, koji su bili prvi otkriveni i uglavnom su čisti kemijski elementi, a koji naglo prelaze u supravodljivo stanje i magnetsko polje ne prodire u njihovu unutrašnjost, i
  • supravodiče druge vrste, koji su nađeni poslije, uglavnom su kemijski spojevi i slitine, postupno prelaze u supravodljivo stanje, a u djelomično supravodljivom stanju u njima se oblikuju magnetski vrtlozi.

BCS-teorija[uredi VE | uredi]

Prvu teoriju koja opisuje kako se elektroni, prenositelji električnoga naboja, ponašaju u supravodiču prve vrste objavili su 1957. John BardeenLeon Neil CooperJohn Robert Schrieffer (Bardeen-Cooper-Schriefferova teorija ili BCS-teorija). Ta kvantnomehanička teorija pretpostavlja da se na vrlo niskim temperaturama elektroni gibaju u parovima (Cooperovi parovi), da privlačno međudjelovanje elektron–rešetka–elektron prevladava Coulombovo odbojno međudjelovanje i da se svaki par elektrona na međusobnoj udaljenosti od približno 100 nm može gibati kroz kristalnu rešetku bez gubitka energije, čak i tunelirati kroz izolatorsku barijeru. Porastom temperature jačaju vibracije rešetke, koje iznad kritične temperature razdvajaju električne parove.

Aleksej Aleksejevič Abrikosov je 1957. objavio teoriju koja opisuje kako se u supravodiču druge vrste povećava broj magnetskih vrtloga kada se pojačava magnetsko polje i kako supravodljivost nestaje kada se jezgre vrtloga počnu preklapati.

Primjena[uredi VE | uredi]

Za praktičnu primjenu supravodiča važna je temperatura na kojoj oni postaju supravodljivi. Ako je ta temperatura niža od 20 K, hladiti se mora ukapljenim helijem, a ako je 100 K i viša, hlađenje se može postići ukapljenim dušikom, što je približno 500 puta jeftinije od hlađenja helijem. Prvi je tržišni supravodič u obliku žice proizveden 1961. Njegova je kemijska jednakost Nb3Sn, imao je kritičnu temperaturu 23 K, kritičnu magnetsku indukciju 20 T i kritičnu gustoću struje 105 A/cm². Godine 1987. otkriven je supravodič jednakosti YBa2Cu3O7, spoj koji postaje supravodljiv na temperaturi 92 K, što je dovelo do novoga skoka u razvoju istraživanja i primjene supravodljivosti. Danas je poznato 29 kemijskih elemenata, metala, koji su supravodiči u uobičajenom obliku, i još 17 njih koji postaju supravodljivi pod visokim tlakom ili u nekim drugim posebnim uvjetima. Supravodljivih je slitina više od 1000. Godine 2007. na slitini koja sadrži kositar, indij, barij, tulij, bakar i kisik (Sn1.4In0.6Ba4Tm5Cu7O20+) postignuta je supravodljivost na temperaturi 175 K (- 98 °C).

Supravodljivost se primjenjuje u iznimno snažnim magnetima akceleratora čestica, u uređajima za dobivanje snimaka unutrašnjosti ljudskoga tijela s pomoću nuklearne magnetske rezonancije, gdje razlučivanje detalja ovisi o jakosti magnetskoga polja, lebdećim vozilima, gdje supravodljivi magneti ugrađeni u vozila omogućavaju lebdenje iznad pruge.

Mjerni instrumenti koji rade prema načelu Josephsonova učinka služe za mjerenje slabih magnetskih polja i za mjerenje tempetatura nižih od 1 K. Josephsonov se učinak primjenjuje i za pojačavanje elektromagnetskih signala i za brzo pretvaranje analognih signala u digitalne.

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. supravodljivost, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.

Vanjske poveznice[uredi VE | uredi]