Dokonano krótkiego przeglądu teorii nadprzewodnictwa oraz zagadnień związanych z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. Encyklopedia szkolna Wyjaśnienie nadprzewodnictwa
2. Jaką temperaturę nazywamy krytyczną?
Temperatura krytyczna to temperatura, w której przewodniki przechodzą w stan nadprzewodzący.3. Jaki efekt nazywamy izotopowym? Dlaczego efekt izotopowy jest kluczem do wyjaśnienia nadprzewodnictwa?
Efekt izotopowy polega na tym, że kwadrat temperatury jest odwrotnie proporcjonalny do masy jonów w sieci krystalicznej. Oznacza to, że w temperaturze krytycznej struktura sieci krystalicznej nadprzewodnika ma ogromny wpływ na ruch elektronów - powstałe siły przyciągania pomiędzy elektronami przewyższają siły odpychania Coulomba.4. Czym różni się charakter ruchu elektronów w nadprzewodniku od ich ruchu w przewodniku? Jak można mechanicznie modelować ruch par Coopera w nadprzewodniku?
W przewodniku elektrony poruszają się niezależnie od siebie, natomiast w nadprzewodniku (w temperaturze krytycznej) ich ruchy są ze sobą powiązane. Jeśli porównamy ruch elektronów w przewodniku ze strumieniem kulek toczących się po pochyłej płaszczyźnie i uderzających w szpilki, to ruch elektronów w nadprzewodniku można przedstawić jako ruch po nachylonej płaszczyźnie, ale kulki są połączone pary za pomocą sprężyn.5. Dlaczego nadprzewodnictwo zanika w temperaturach powyżej krytycznych? Co wyjaśnia obiecujący rozwój nadprzewodników wysokotemperaturowych?
W temperaturach powyżej wartości krytycznej elektrony ponownie zaczynają poruszać się chaotycznie, a pary Coopera ulegają zniszczeniu. Perspektywy rozwoju nadprzewodników wysokotemperaturowych zmniejszą straty energii podczas transmisji na duże odległości i zwiększą prędkość komputerów.Nadprzewodnictwo jako zjawisko powstaje w wyniku powstawania par elektronów Coopera, które zachowują się jak pojedyncza cząstka.
Nadprzewodnictwo to dziwna rzecz, a w pewnym stopniu nawet sprzeczna z intuicją. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez zwykły drut, to w wyniku obecności oporu elektrycznego na przewodzie, prąd wykonuje pewną pracę mającą na celu pokonanie tego oporu atomów, w wyniku czego wydziela się ciepło. Co więcej, każde zderzenie elektronu – nośnika prądu – z atomem spowalnia elektron, a sam hamulec atomowy nagrzewa się – dlatego spirala kuchenki elektrycznej staje się czerwona i gorąca. Rzecz w tym, że spirala ma elektryczność opór, w wyniku czego, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny, uwalnia energię cieplną ( cm. Prawo Ohma).
W 1911 roku holenderski fizyk eksperymentalny Heike Kammerlingh Onnes (1853-1926) dokonał niesamowitego odkrycia. Zanurzając drut w ciekłym helu, którego temperatura nie przekraczała 4° powyżej zera absolutnego (co, jak pamiętamy, wynosi -273°C w skali Celsjusza lub -460°F w skali Fahrenheita), stwierdził, że przy w bardzo niskich temperaturach opór elektryczny spada prawie do zera. Właściwie nie mógł nawet zgadnąć, dlaczego tak się dzieje, ale fakt okazał się oczywisty. W ultraniskich temperaturach elektrony praktycznie nie napotykały oporu ze strony atomów metalowej sieci krystalicznej i zapewniały nadprzewodnictwo.
Ale dlaczego tak się dzieje? Pozostało to tajemnicą aż do 1957 roku, kiedy trzech kolejnych fizyków eksperymentalnych - John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (ur. 1930) i John Robert Schrieffer (ur. 1931) wpadło na wyjaśnienie tego efektu. Na ich cześć teorię nadprzewodnictwa nazywa się obecnie „teorią BCS” – od pierwszych liter nazwisk tych fizyków.
A jego istota polega na tym, że w ultraniskich temperaturach atomy metali ciężkich praktycznie nie wibrują ze względu na ich niewielki ruch termiczny i można je uznać za praktycznie stacjonarne. Ponieważ każdy metal ma właściwości przewodzące elektrycznie właściwe metalowi tylko dlatego, że uwalnia elektrony z zewnętrznej warstwy do „swobodnego unoszenia się” ( cm. wiązania chemiczne), mamy to, co mamy: zjonizowane, dodatnio naładowane jądra sieci krystalicznej i ujemnie naładowane elektrony swobodnie „unoszące się” pomiędzy nimi. A teraz przewodnik znajduje się pod wpływem różnicy potencjałów elektrycznych. Elektrony – chcąc nie chcąc – poruszają się swobodnie pomiędzy dodatnio naładowanymi jądrami. Za każdym razem jednak słabo oddziałują z jądrami (i między sobą), ale natychmiast „uciekają”. Jednak jednocześnie elektrony „prześlizgują się” pomiędzy dwoma dodatnio naładowanymi jądrami, zdają się „odwracać” je od siebie. W rezultacie, gdy elektron „wślizguje się” pomiędzy dwa jądra, zbliżają się one na krótki czas. Następnie oba jądra oczywiście płynnie się od siebie oddalają, ale zadanie zostało wykonane - powstał dodatni potencjał i przyciąga do niego coraz więcej ujemnie naładowanych elektronów. Najważniejsze jest tutaj zrozumienie: w związku z tym, że jeden elektron „prześlizguje się” między atomami, stwarza w ten sposób sprzyjające warunki energetyczne dla ruchu innego elektronu. W rezultacie elektrony poruszają się parami wewnątrz struktury atomowo-krystalicznej - po prostu nie mogą zrobić inaczej, ponieważ jest to dla nich energetycznie niekorzystne. Aby lepiej zrozumieć ten efekt, możemy posłużyć się analogią ze świata sportu. Rowerzyści na torze często stosują taktykę „przeciągania” (czyli „wiszenia się na ogonie” przeciwnika), zmniejszając w ten sposób opór powietrza. Elektrony robią to samo, tworząc Pary Coopera.
Ważne jest, aby zrozumieć, że w bardzo niskich temperaturach Wszystko elektrony tworzą pary Coopera. Teraz wyobraź sobie, że każda taka para jest wiązką przypominającą makaron, na każdym końcu której znajduje się ładunek-elektron. Teraz wyobraź sobie, że przed tobą stoi cała miska takich „makaronów”: wszystko składa się ze splecionych par Cooperów. Innymi słowy, elektrony w metalu nadprzewodzącym oddziałują ze sobą parami i cała ich energia jest na to wydawana. W związku z tym elektronom po prostu nie pozostało energii do interakcji z jądrami atomów w sieci krystalicznej. W końcu dochodzi do punktu, w którym elektrony zwalniają tak bardzo, że nie mają już nic do stracenia (energetycznie), a otaczające je jądra „ochładzają się” tak bardzo, że nie są już w stanie „spowalniać” wolnych elektronów. W rezultacie elektrony zaczynają przemieszczać się pomiędzy atomami metali, nie tracąc praktycznie żadnej energii w wyniku zderzeń z atomami, a opór elektryczny nadprzewodnika spada do zera. Za odkrycie i wyjaśnienie wpływu nadprzewodnictwa Bardeen, Cooper i Schrieffer otrzymali w 1972 roku Nagrodę Nobla.
Od tego czasu minęło wiele lat, a nadprzewodnictwo przestało być zjawiskiem wyjątkowym i ciekawym w laboratoriach, a stało się powszechnie akceptowanym faktem i źródłem wielomiliardowych dochodów przedsiębiorstw z branży elektronicznej. Chodzi o to, że każdy prąd elektryczny wzbudza wokół siebie pole magnetyczne ( cm. Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya). Ponieważ nadprzewodniki przewodzą prąd przez długi czas, praktycznie bez strat, gdy są utrzymywane w bardzo niskich temperaturach, są idealnym materiałem do produkcji elektromagnesów. A jeśli kiedykolwiek poddałeś się medycznej procedurze diagnostycznej zwanej tomografią elektronową, która jest wykonywana na skanerze wykorzystującym zasadę magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), to być może nie zdając sobie z tego sprawy, byłeś zaledwie centymetry od nadprzewodzących elektromagnesów. To oni tworzą dziedzinę, która pozwala lekarzom na uzyskanie bardzo precyzyjnych obrazów przekrojowych tkanki ludzkiego ciała bez konieczności użycia skalpela.
Nowoczesne nadprzewodniki zachowują swoje unikalne właściwości po podgrzaniu do temperatury około 20 K (dwadzieścia stopni powyżej zera absolutnego). Przez długi czas uważano to za temperaturę graniczną nadprzewodnictwa. Jednak w 1986 roku pracownicy szwajcarskiego laboratorium firmy komputerowej IBM, Georg Bednorz (ur. 1950) i Alexander Müller (ur. 1927) odkryli stop, którego właściwości nadprzewodzące utrzymują się w temperaturze 30K. Dziś nauka zna materiały, które pozostają nadprzewodnikami nawet w temperaturze 160 K (czyli nieco poniżej -100°C). Jednocześnie ogólnie przyjęta teoria, która wyjaśniałaby tę klasę nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, nie powstał jeszcze, ale jest całkowicie jasne, że nie da się go wyjaśnić w ramach teorii BCS. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nie znalazły obecnie praktycznego zastosowania ze względu na ich wyjątkowo wysoki koszt i kruchość, ale rozwój w tym kierunku trwa.
Johna Bardeena, 1908-91
Amerykański fizyk, jeden z nielicznych dwukrotnych laureatów Nagrody Nobla. Urodzony w Madison w stanie Wisconsin w rodzinie profesora patologa. Kształcił się na uniwersytetach w Madison i Princeton. W przerwie między studiami na I i II roku przez kilka lat pracował w koncernie naftowym Gulf Oil jako sejsmolog-badacz złóż ropy. Podczas II wojny światowej służył w Laboratorium Nawigacyjnym Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w Waszyngtonie, a po wojnie pracował w laboratorium radiowym firmy Bell Telephone Company, gdzie był współwynalazcą tranzystora, za co otrzymał pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1956 r. Następnie Bardeen został profesorem na Uniwersytecie Illinois, gdzie zaczął rozwijać teorię BCS, za co wraz ze współautorami otrzymał po raz drugi Nagrodę Nobla w 1972 roku.
(77 K), znacznie tańsza ciecz kriogeniczna.
Encyklopedyczny YouTube
1 / 5
✪ Lekcja 296. Zależność temperaturowa rezystancji metali. Nadprzewodnictwo
✪ Nadprzewodnictwo. Prąd elektryczny w różnych środowiskach. Film edukacyjny
✪ NADPRZEWODNIK I LEWITACJA KWANTOWA!
✪ Nadprzewodnictwo (opowiada fizyk Boris Fain)
✪ Przewodność elektryczna różnych substancji | Fizyka klasa 10 #57 | Lekcja informacyjna
Napisy na filmie obcojęzycznym
Historia odkryć
Podstawą odkrycia zjawiska nadprzewodnictwa był rozwój technologii chłodzenia materiałów do ultraniskich temperatur. W 1877 roku francuski inżynier Louis Cayette i szwajcarski fizyk Raoul Pictet niezależnie schłodzili tlen do stanu ciekłego. W 1883 roku Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski dokonali skraplania azotu. W 1898 roku Jamesowi Dewarowi udało się uzyskać ciekły wodór.
W 1893 roku holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes zaczął badać problem ultraniskich temperatur. Udało mu się stworzyć najlepsze na świecie laboratorium kriogeniczne, w którym 10 lipca 1908 roku uzyskał ciekły hel. Później udało mu się doprowadzić jego temperaturę do 1 Kelvina. Kamerlingh Onnes wykorzystał ciekły hel do badania właściwości metali, w szczególności do pomiaru zależności ich rezystancji elektrycznej od temperatury. Według istniejących wówczas klasycznych teorii rezystancja powinna spadać płynnie wraz ze spadkiem temperatury, jednak panowała też opinia, że przy zbyt niskich temperaturach elektrony praktycznie ustaną, a metal całkowicie przestanie przewodzić prąd. Eksperymenty przeprowadzone przez Kamerlingha Onnesa wraz z jego asystentami Cornelisem Dorsmanem i Gillesem Holstem początkowo potwierdziły wniosek o płynnym spadku oporu. Jednakże 8 kwietnia 1911 roku nieoczekiwanie odkrył, że w temperaturze 3 Kelvinów (około -270°C) opór elektryczny wynosi praktycznie zero. Kolejny eksperyment, przeprowadzony 11 maja, wykazał, że gwałtowny spadek rezystancji do zera następuje w temperaturze około 4,2 K (później dokładniejsze pomiary wykazały, że jest to temperatura 4,15 K). Efekt ten był zupełnie nieoczekiwany i nie dawał się wytłumaczyć istniejącymi wówczas teoriami.
Zerowa rezystancja nie jest jedyną cechą wyróżniającą nadprzewodniki. Jedną z głównych różnic między nadprzewodnikami a idealnymi przewodnikami jest efekt Meissnera, odkryty przez Waltera Meissnera i Roberta Oxenfelda w 1933 roku.
Później odkryto, że nadprzewodniki dzielą się na dwie duże rodziny: nadprzewodniki typu I (do których zalicza się w szczególności rtęć) i typu II (które są zwykle stopami różnych metali). Prace L.V. Shubnikova w latach trzydziestych XX wieku i A.A. Abrikosova w latach pięćdziesiątych XX wieku odegrały znaczącą rolę w odkryciu nadprzewodnictwa typu II.
Ogromne znaczenie dla praktycznych zastosowań elektromagnesów dużej mocy miało odkrycie w latach pięćdziesiątych XX wieku nadprzewodników zdolnych wytrzymywać silne pola magnetyczne i przenosić prąd o dużych gęstościach. I tak w 1960 roku pod kierunkiem J. Künzlera odkryto materiał Nb 3 Sn, z którego drut może przepuszczać prąd o gęstości do 100 kA/cm² w temperaturze 4,2 K, będąc w pole magnetyczne o natężeniu 8,8 T.
W 2015 roku ustanowiono nowy rekord temperatury, w której osiąga się nadprzewodnictwo. Dla H2S (siarkowodór) pod ciśnieniem 100 GPa zarejestrowano przejście nadprzewodzące w temperaturze 203 K (-70 ° C).
Klasyfikacja
Istnieje kilka kryteriów klasyfikacji nadprzewodników. Oto główne:
Właściwości nadprzewodników
Zerowy opór elektryczny
W przypadku prądu stałego opór elektryczny nadprzewodnika wynosi zero. Wykazano to w eksperymencie, w którym w zamkniętym nadprzewodniku indukowano prąd elektryczny, który płynął w nim bez tłumienia przez 2,5 roku (eksperyment przerwał strajk pracowników dostarczających ciecze kriogeniczne).
Nadprzewodniki w polu wysokich częstotliwości
Ściśle mówiąc, stwierdzenie, że rezystancja nadprzewodników wynosi zero, jest prawdziwe tylko dla prądu stałego. W zmiennym polu elektrycznym rezystancja nadprzewodnika jest różna od zera i rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości pola. Efekt ten, w języku dwupłynowego modelu nadprzewodnika, tłumaczy się obecnością, wraz z nadprzewodzącą frakcją elektronów, zwykłych elektronów, których liczba jest jednak niewielka. Po umieszczeniu nadprzewodnika w stałym polu pole to wewnątrz nadprzewodnika staje się zerowe, ponieważ w przeciwnym razie elektrony nadprzewodzące przyspieszyłyby do nieskończoności, co jest niemożliwe. Jednakże w przypadku pola przemiennego pole wewnątrz nadprzewodnika jest niezerowe i przyspiesza również normalne elektrony, z czym związany jest zarówno skończony opór elektryczny, jak i straty cieplne Joule'a. Efekt ten jest szczególnie wyraźny dla takich częstotliwości światła, dla których energia kwantowa godz ν (\ displaystyle h \ nu) wystarczające do przeniesienia elektronu nadprzewodzącego do grupy normalnych elektronów. Częstotliwość ta zwykle leży w obszarze podczerwieni (około 10 11 Hz), dlatego w zakresie widzialnym nadprzewodniki praktycznie nie różnią się od zwykłych metali.
Przejście fazowe do stanu nadprzewodzącego
Zakres temperatur przejścia w stan nadprzewodzący dla czystych próbek nie przekracza tysięcznych części Kelvina i dlatego pewna wartość ma sens T- temperatura przejścia w stan nadprzewodzący. Ta ilość nazywa się krytyczna temperatura przejścia. Szerokość przedziału przejściowego zależy od niejednorodności metalu, przede wszystkim od obecności zanieczyszczeń i naprężeń wewnętrznych. Aktualne znane temperatury T wahają się od 0,0005 K dla magnezu (Mg) do 23,2 K dla międzymetalicznego związku niobu i germanu (Nb 3 Ge w folii) i 39 K dla diborku magnezu ( 2) dla nadprzewodników niskotemperaturowych ( T poniżej 77 K, temperatura wrzenia ciekłego azotu), do około 135 K w przypadku nadprzewodników wysokotemperaturowych zawierających rtęć.
Obecnie największą znaną wartość temperatury krytycznej ma faza HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223), a przy ciśnieniu zewnętrznym 350 tys. atmosfer temperatura przejścia wzrasta do 164 K, co jest tylko o 19 K niższa od minimalnej temperatury rejestrowanej w warunkach naturalnych na powierzchni Ziemi. Zatem w rozwoju nadprzewodników przeszliśmy od rtęci metalicznej (4,15 K) do nadprzewodników wysokotemperaturowych zawierających rtęć (164 K). W 2000 roku wykazano, że lekkie fluorowanie wyżej wymienionej ceramiki rtęciowej pozwala na podniesienie temperatury krytycznej przy ciśnieniu normalnym do 138 K.
Przejściu substancji w stan nadprzewodzący towarzyszy zmiana jej właściwości termicznych. Zmiana ta zależy jednak od rodzaju nadprzewodników, o których mowa. Zatem dla nadprzewodników typu I przy braku pola magnetycznego w temperaturze przejścia T. c ciepło przejścia (absorpcji lub wydzielania) spada do zera i dlatego następuje skok pojemności cieplnej, co jest charakterystyczne dla przejścia fazowego rodzaju ΙΙ. Ta zależność temperaturowa pojemności cieplnej podukładu elektronicznego nadprzewodnika wskazuje na obecność przerwy energetycznej w rozkładzie elektronów pomiędzy stanem podstawowym nadprzewodnika a poziomem wzbudzeń elementarnych. Gdy przejście ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego odbywa się poprzez zmianę przyłożonego pola magnetycznego, wówczas ciepło musi zostać pochłonięte (na przykład, jeśli próbka jest izolowana termicznie, wówczas jej temperatura spada). Odpowiada to przejściu fazowemu pierwszego rzędu. W przypadku nadprzewodników typu II przejście ze stanu nadprzewodnictwa do stanu normalnego w każdych warunkach będzie przejściem fazowym typu II.
Efekt Meissnera
Jeszcze ważniejszą właściwością nadprzewodnika niż zerowy opór elektryczny jest tzw. efekt Meissnera, który polega na przemieszczeniu stałego pola magnetycznego z nadprzewodnika. Z tej eksperymentalnej obserwacji wynika, że wewnątrz nadprzewodnika występują trwałe prądy, które wytwarzają wewnętrzne pole magnetyczne przeciwne do zewnętrznego przyłożonego pola magnetycznego i kompensują je.
Efekt izotopowy
Efekt izotopowy w przypadku nadprzewodników jest to temperatura T są odwrotnie proporcjonalne do pierwiastków kwadratowych z mas atomowych izotopów tego samego pierwiastka nadprzewodzącego. W rezultacie preparaty monoizotopowe różnią się nieco temperaturami krytycznymi od naturalnej mieszaniny i od siebie nawzajem.
Londyńska chwila
Obracający się nadprzewodnik generuje pole magnetyczne precyzyjnie ustawione w osi obrotu, powstały moment magnetyczny nazywany jest „momentem londyńskim”. Wykorzystano go w szczególności w satelicie naukowym Gravity Probe B, gdzie mierzono pola magnetyczne czterech nadprzewodzących żyroskopów w celu określenia ich osi obrotu. Ponieważ wirniki żyroskopów były niemal idealnie gładkimi kulami, wykorzystanie momentu londyńskiego było jednym z niewielu sposobów określenia ich osi obrotu.
Moment grawitomagnetyczny Londynu
Obracający się i jednocześnie przyspieszający, czyli zwiększający częstotliwość obrotów, pierścień nadprzewodnika wytwarza pole grawitacyjne. Eksperymenty związane z londyńskim momentem grawitomagnetycznym przeprowadzili Martin Tajmar z austriackiej firmy ARC Seibersdorf Research i Clovis de Matos z Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) w 2006 roku. Eksperymentatorzy po raz pierwszy zmierzyli sztucznie wytworzone w ten sposób pole grawitomagnetyczne. Tajmar i de Matos uważają, że efekt ten wyjaśnia zagadkę różnicy pomiędzy zmierzoną wcześniej z dużą dokładnością masą par Coopera (są to elektrony zapewniające przewodnictwo w nadprzewodniku) a tą samą masą uzyskaną na papierze – wynika z obliczeń teorii kwantowej .
Badacze nazwali odkryty eksperymentalnie efekt grawitacyjny „grawitomagnetycznym momentem londyńskim”, przez analogię do podobnego efektu magnetycznego: pojawienia się pola magnetycznego podczas obrotu nadprzewodnika, zwanego „momentem londyńskim”.
Wytworzone w ten sposób pole było 100 milionów razy słabsze od pola grawitacyjnego Ziemi. I choć efekt ten przewidywała Ogólna Teoria Względności, to natężenie pola okazało się o 20 rzędów wielkości silniejsze od wartości obliczonej.
Teoretyczne wyjaśnienie efektu nadprzewodnictwa
Obecnie brakuje całkowicie zadowalającej mikroskopowej teorii nadprzewodnictwa.
Już na stosunkowo wczesnym etapie badań nadprzewodnictwa, przynajmniej po stworzeniu teorii Ginzburga-Landaua, stało się oczywiste, że nadprzewodnictwo jest konsekwencją unifikacji makroskopowej liczby elektronów przewodnictwa w jeden stan mechaniki kwantowej. Osobliwością elektronów związanych w takim zespole jest to, że nie mogą one wymieniać energii z siecią w małych porcjach, mniejszych niż ich energia wiązania w zespole. Oznacza to, że gdy elektrony poruszają się w sieci krystalicznej, energia elektronów nie zmienia się, a substancja zachowuje się jak nadprzewodnik o zerowym oporze. Analiza mechaniki kwantowej pokazuje, że w tym przypadku nie dochodzi do rozpraszania fal elektronowych na skutek drgań termicznych sieci lub zanieczyszczeń. A to oznacza brak oporu elektrycznego. Taka kombinacja cząstek nie jest możliwa w zespole fermionów. Jest to charakterystyczne dla zespołu identycznych bozonów. Fakt, że elektrony w nadprzewodnikach łączą się w pary bozonowe, wynika z eksperymentów mierzących wielkość kwantu strumienia magnetycznego, który jest „zamrożony” w pustych w środku cylindrach nadprzewodzących. Dlatego już w połowie XX wieku głównym zadaniem tworzenia teorii nadprzewodnictwa było opracowanie mechanizmu parowania elektronów. Pierwszą teorią, mającą na celu mikroskopowe wyjaśnienie przyczyn nadprzewodnictwa, była stworzona przez nich w latach 50. XX wieku teoria Bardeena – Coopera – Schrieffera. Teoria ta zyskała powszechne uznanie pod nazwą BCS i została nagrodzona Nagrodą Nobla w 1972 roku. Tworząc swoją teorię, autorzy oparli się na efekcie izotopowym, czyli wpływie masy izotopu na temperaturę krytyczną nadprzewodnika. Uważano, że jego istnienie bezpośrednio wskazuje na powstanie stanu nadprzewodzącego w wyniku działania mechanizmu fononowego.
Teoria BCS pozostawiła niektóre pytania bez odpowiedzi. Na jego podstawie okazało się niemożliwe rozwiązanie głównego problemu - wyjaśnienie, dlaczego określone nadprzewodniki mają taką czy inną temperaturę krytyczną. Ponadto dalsze eksperymenty z podstawieniami izotopowymi wykazały, że ze względu na anharmoniczność drgań punktu zerowego jonów w metalach istnieje bezpośredni wpływ masy jonów na odległości międzyjonowe w sieci, a co za tym idzie bezpośrednio na energię Fermiego metal. Stało się zatem jasne, że istnienie efektu izotopowego nie jest dowodem na istnienie mechanizmu fononowego, jako jedynego możliwego odpowiedzialnego za parowanie elektronów i występowanie nadprzewodnictwa. Niezadowolenie z teorii BCS doprowadziło w późniejszych latach do prób stworzenia innych modeli, takich jak model fluktuacji spinu i model bipolarny. Jednak choć rozważano różne mechanizmy łączenia elektronów w pary, osiągnięcia te również nie doprowadziły do postępu w zrozumieniu zjawiska nadprzewodnictwa.
Głównym problemem teorii BCS jest istnienie , którego nie da się opisać tą teorią.
Zastosowania nadprzewodnictwa
Poczyniono znaczne postępy w otrzymywaniu nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Na bazie ceramiki metalicznej np. składu YBa 2 Cu 3 O x otrzymano substancje, dla których temperatura T. c przejście w stan nadprzewodzący przekracza 77 K (temperatura skraplania azotu). Niestety, prawie wszystkie nadprzewodniki wysokotemperaturowe nie są zaawansowane technologicznie (kruche, nie mają stabilnych właściwości itp.), przez co w technologii nadal stosowane są głównie nadprzewodniki na bazie stopów niobu.
Zjawisko nadprzewodnictwa wykorzystuje się do wytwarzania silnych pól magnetycznych (na przykład w cyklotronach), ponieważ nie ma strat cieplnych, gdy przez nadprzewodnik przepływają silne prądy, tworząc silne pola magnetyczne. Jednakże ze względu na to, że pole magnetyczne niszczy stan nadprzewodnictwa, do uzyskania silnych pól magnetycznych wykorzystuje się tzw. pola magnetyczne. Nadprzewodniki typu II, w których możliwe jest współistnienie nadprzewodnictwa i pola magnetycznego. W takich nadprzewodnikach pole magnetyczne powoduje pojawienie się w próbce cienkich włókien normalnego metalu, z których każde niesie kwant strumienia magnetycznego (wiry Abrikosowa). Substancja pomiędzy nitkami pozostaje nadprzewodząca. Ponieważ w nadprzewodniku typu II nie występuje pełny efekt Meissnera, nadprzewodnictwo występuje aż do znacznie wyższych wartości pola magnetycznego H C 2. W technologii stosowane są głównie następujące nadprzewodniki:
W ważnych zastosowaniach znajdują się miniaturowe nadprzewodzące urządzenia pierścieniowe - SQUIDS, których działanie opiera się na powiązaniu pomiędzy zmianami strumienia magnetycznego i napięcia. Wchodzą w skład ultraczułych magnetometrów mierzących pole magnetyczne Ziemi, a także wykorzystywane są w medycynie do uzyskiwania magnetogramów różnych narządów.
Nadprzewodniki są również stosowane w maglevach.
Zjawisko zależności temperatury przejścia w stan nadprzewodzący od wielkości pola magnetycznego wykorzystywane jest w oporach kontrolowanych kriotronowo.
Zobacz też
Notatki
- Odkrycie nadprzewodnictwa - rozdział z książki J. Trigga „Fizyka XX wieku: Kluczowe eksperymenty”
- Dirka van Delfta i Petera Kesa.
Zjawisko nadprzewodnictwa w materiałach
Zjawisko nadprzewodnictwa zostało po raz pierwszy odkryte w 1911 roku przez holenderskiego naukowca. . Od tego czasu prowadzono intensywne poszukiwania nowych materiały nadprzewodzące, co pozwoliłoby na wykorzystanie tego zjawiska w konkretnych urządzeniach przy maksymalnych korzyściach energetycznych i ekonomicznych. Holenderski naukowiec G. Kamerlingh-Onkes odkrył zjawisko nadprzewodnictwa. Nadprzewodnictwo otwiera fantastyczne perspektywy dla elektrotechniki, energetyki i transportu. W końcu, jeśli rezystancja przewodnika wynosi zero, wówczas można przez niego przepuścić dowolnie duży prąd i nie będzie absolutnie żadnych strat cieplnych. To marzenie inżynierów elektryków! W wyniku nagrzewania się konwencjonalnych przewodów aż do 20% całej wytworzonej energii elektrycznej zostaje bezpowrotnie utracone, a w liniach elektroenergetycznych wykonanych z nadprzewodników straty będą znikome. Amerykański profesor Richarda McPhee obliczyli, że cienki jak ramię kabel nadprzewodzący byłby w stanie obsłużyć całą moc szczytową generowaną przez amerykańskie elektrownie. Możliwość otrzymania super silne pola magnetyczne, które są tak niezbędne przy tworzeniu reaktorów termojądrowych, unikalnych projektów generatorów prądu, nowych urządzeń fizycznych, pociągów na lewitacji magnetycznej i wielu innych przydatnych rzeczy.Zjawisko nadprzewodnictwa w kompozytach
Tworzenie kompozyty, możesz utworzyć niezbędne właściwości fizyczne i w ten sposób rozwiązać różnorodne problemy fizyczne. Jednym z nich jest kreacja urządzenia nadprzewodzące. To bardzo duży problem, w pracę nad nim zaangażowani są ludzie różnych zawodów. Zadaniem fizyków i chemików jest otrzymanie substancji wykazujących nadprzewodnictwo. A wykorzystanie znanych już materiałów nadprzewodzących do stworzenia konkretnego produktu – drutu nadprzewodzącego – to typowe zadanie dla materiałoznawców.Drut nadprzewodzący - kompozytowy
Wiele lat badań teoretycznych i eksperymentalnych doprowadziło fizyków do następującego wniosku dotyczącego projektowania drutów nadprzewodzących: aby zapewnić niezawodne działanie drut nadprzewodzący możliwe, jeśli reprezentuje złożony, składający się z matrycy przewodzącej ciepło (na przykład miedzi), w której ciągłe włókna nadprzewodzące są równomiernie rozmieszczone, zorientowane wzdłuż osi drutu.
Nadprzewodzący drut miedziany. Pożądane jest, aby średnica tych włókien nie przekraczała kilku mikrometrów, a ich liczbę mierzono w tysiącach lub dziesiątkach tysięcy. W tym przypadku stężenie objętościowe włókien w osnowie powinno wynosić 5-7%, a średnica całego drutu powinna wynosić około 1 mm. Włókna nadprzewodzące
Zadaniem materiałoznawców jest nauczenie się wytwarzania takiego drutu, co nie jest zadaniem łatwym. Faktem jest, że tradycyjne metody jego rozwiązania nie są odpowiednie:- Nie ma włókien nadprzewodzących o średnicy mikrometra, które jednocześnie miałyby setki metrów lub kilometry długości.
- Nawet gdyby istniały, trudno byłoby zagwarantować, że nie pękną gdzieś podczas obróbki, co oznacza, że nie byłoby pewności co do jakości kompozytu i jego niezawodności.
Brąz jako materiał do wytwarzania włókna nadprzewodzącego. Wadą osnowy z brązu jest zmniejszona przewodność cieplna i elektryczna w porównaniu z miedzią. Wadę tę można zniwelować stosując osnowę mieszaną zawierającą czystą miedź i brąz. Jednak po podgrzaniu miedź może reagować z cyną, co ponownie pogorszy jej właściwości elektryczne i termofizyczne. Aby temu zapobiec, konieczne jest umieszczenie przegród pomiędzy miedzią i brązem, co również zmniejszy prądy wirowe. Tantal jest do tego wygodny. Jak wygląda drut zawierający włókna Nb 3 Sn? Schematycznie jego konstrukcję tworzy 19 wielokątów, których kształt jest zbliżony do sześciokąta – są to druty wykonane z brązu – kompozytu Nb 3 Sn. Wszystkie umieszczone są w miedzianej matrycy. Przekrój jednego takiego drutu składa się ze 187 grup zawierających włókna Nb 3 Sn, przy czym każda grupa zawiera 19 takich włókien, a pomiędzy nimi znajduje się osnowa z brązu. W sumie drut kompozytowy zawiera 67 507 włókien o średnicy ~ 5 µm (a właściwie każde włókno składa się z rdzenia niobowego pokrytego warstwą Nb 3 Sn o grubości ~ 1 µm). Aby zakończyć proces produkcyjny, cały kompozyt jest kształtowany w prostokątny kształt, dzięki czemu można go ciasno nawinąć na rdzeń. Taki prostokątny przewodnik kompozytowy o przekroju 1,75x5,46 mm jest w stanie przepuścić prąd o natężeniu 5000 A w polu o natężeniu 6 T i 1250 A w polu o natężeniu 12 T. Jednak wymagania techniczne z roku na rok rosną, i wychodząc im naprzeciw, materiały o jeszcze wyższych właściwościach. Oznacza to, że musimy pójść dalej, zaproponować nowe pomysły, opracować nowe technologie, stworzyć nowe.
Ładowanie...