Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Nadprzewodnictwo to zjawisko, w którym opór elektryczny ciała stałego spada do zera, a pole magnetyczne jest wypychane z jego wnętrza.

Nadprzewodnictwo to ekscytujące zjawisko elektryczne i wielka nadzieja dla wielu dziedzin techniki. Okazuje się, że w niskich temperaturach rezystancja niektórych materiałów nagle spada do zera. Efekt ten znany jest od ponad 100 lat, jednak jego mechanizm wciąż skrywa tajemnice. Chociaż to zjawisko jest czysto kwantowe, możesz zrozumieć (bardzo z grubsza), czym ono jest.

Przepływowi prądu elektrycznego przez różne materiały towarzyszy pojawienie się oporu elektrycznego. Jest to spowodowane oddziaływaniem elektronów z atomami lub cząsteczkami sieci krystalicznej przewodnika.

Okazuje się jednak, że niektóre materiały w bardzo niskich temperaturach mogą przejść w stan, w którym nie mają w ogóle oporu elektrycznego. Zjawisko to, zwane nadprzewodnictwem, odkrył w 1911 roku holenderski fizyk Heike Kamerling Onnes (ryc. 1.). Materiał, w którym zachodzi to zjawisko, nazywany jest nadprzewodnikiem.

Ryż. 1. Portret Heike Kamerling Onnes. Holenderski fizyk, który otrzymał nagrodę za badanie właściwości substancji w najniższych temperaturach oraz za skraplanie helu

W większości przypadków nadprzewodniki oprócz zerowej rezystancji elektrycznej są również idealnymi diamagnesami. Zewnętrzne pole magnetyczne jest równoważone przez prądy elektryczne płynące po powierzchni, w wyniku czego całkowite pole magnetyczne wewnątrz nadprzewodnika wynosi zero. Wygląda to tak, jakby linie pola magnetycznego były wypychane z nadprzewodnika (patrz ryc.Ryż. 2). Zjawisko to nazywane jest efektem Meissnera. Istnieją jednak nadprzewodniki, w przypadku których pole magnetyczne w określonych warunkach przenika nadprzewodnik i tworzy stan mieszany.

Ryż. 2. Graficzne przedstawienie efektu Meissnera, tj. zjawisko wyrzucania pola magnetycznego z wnętrza nadprzewodnika

Dla odniesienia. Efekt Meissnera (z ang. Meissner effect) to zanik pola magnetycznego (wyrzucenie pola magnetycznego) w nadprzewodniku, gdy przechodzi on w stan nadprzewodzący. Zjawisko to zostało odkryte w 1933 roku przez W altera Meisnera i Roberta Oxenfelda. Zjawisko to jest podstawą do określenia, czy dany przewodnik o zerowym oporze elektrycznym jest nadprzewodnikiem.

[1]

Siły powodowane przez powierzchniowe prądy elektryczne mogą utrzymywać nadprzewodnik nad lub pod magnesem, tj. w stanie lewitacji. Technicznie łatwiej jest sprawić, by magnes lewitował nad nadprzewodnikiem, jak pokazano na rysunku (ryc. 3).

Ryż. 3. Magnes unoszący się nad nadprzewodnikiem. Źródło, CC BY-SA 3.0

Podsumowując dyskusję, możemy zdefiniować nadprzewodnictwo.

Nadprzewodnictwo to zjawisko, w którym opór elektryczny ciała stałego spada do zera, a pole magnetyczne jest wypychane z jego wnętrza.

Skąd wiemy, że opór elektryczny nadprzewodnika wynosi zero? Kiedy w nadprzewodniku indukowany jest wirowy prąd elektryczny, jego natężenie nie zmienia się przez wiele lat, co obserwujemy w laboratoriach fizycznych.

Problem z wykorzystaniem nadprzewodnictwa w praktyce polega na tym, że zjawisko to występuje w bardzo niskich temperaturach, zwykle poniżej -234oC. Jednak grupy badawcze pracują nad uzyskaniem tego efektu w temperaturze pokojowej. Nietrudno sobie wyobrazić, jak zmieniłby się nasz świat, gdybyśmy mogli korzystać z energii elektrycznej bez żadnych strat energii.

Temperatura, w której pojawia się nadprzewodnictwo dla danej substancji przewodzącej nazywana jest temperaturą krytyczną (Tc). Temperatury te są tak niskie, że trudno je osiągnąć, a utrzymywanie ciał w takich warunkach jest w każdym przypadku bardzo kosztowne. Należy zastosować specjalne chłodzenie, takie jak ciekły azot, ciekły hel itp. W XX wieku znaleziono substancje, dla których temperatury krytyczne są średnio znacznie wyższe niż dla metali (tzw. aglomeraty ceramiczne), ale nawet w tym przypadku temperatury są na tyle niskie, że ich utrzymanie jest kosztowne.

W chwili pisania tego tekstu rekordowo wysoka temperatura nadprzewodnictwa wynosi zaledwie -23oC. Osiągnięto to dla wodorku lantanu. Aby go stworzyć, lantan i wodór umieszczono w komorze i poddano ciśnieniu przekraczającemu ciśnienie atmosferyczne o 1,7 miliona (źródło [2]).

Materiały, z których można wykonać nadprzewodnik, są różne. Są to pierwiastki i stopy, organiczne i nieorganiczne związki chemiczne. Zdarza się, że materiał nadprzewodzący w temperaturze powyżej krytycznej jest izolatorem.

Zjawiska nadprzewodnictwa nie da się wytłumaczyć na podstawie fizyki klasycznej. To jest efekt kwantowy. Przez długi czas nie było przekonującego wyjaśnienia tego zjawiska. Pierwsza teoria opisująca mikroskopowy mechanizm efektu powstała w 1957 roku. Jej autorzy – John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer – otrzymali Nagrodę Nobla w 1972 roku.

W skrócie teoria ta opiera się na założeniu, że: w stanie nadprzewodzącym prąd elektryczny jest przenoszony przez pary elektronów o przeciwnych spinach.

Pojedyncze elektrony to fermiony (czyli cząstki o spinie równym ½) i nie mogą zajmować tych samych stanów energetycznych. Jednak para elektronów jest już bozonem (cząstką o spinie całkowitym, w tym przypadku 0), a zakaz ten nie dotyczy bozonów. Wszystkie z nich mogą zajmować najniższy poziom energii kwantowej i nie uczestniczyć w procesie rozpraszania energii w wyniku interakcji z siecią krystaliczną.Elektrony oddziałują z siecią krystaliczną, tworząc parę, więc dzieje się tak tylko w niskich temperaturach, kiedy drgania atomów w sieci nie zakłócają tej interakcji.

Lista odnośników

    Wikipedia
  1. Nadprzewodnictwo w temperaturze 250 K we wodorku lantanu pod wysokim ciśnieniem
  2. B. L. Ginzburg, EA Andryushin. Nadprzewodnictwo. - M.: Alfa-M, 2006.

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Kategoria:

Elektryk