Obsah článku
SUPERVODIVOST, stav, do kterého se při nízkých teplotách přeměňují některé pevné elektricky vodivé látky. Supravodivost byla objevena v mnoha kovech a slitinách a v rostoucím počtu polovodičových a keramických materiálů. Dva z nejpřekvapivějších jevů pozorovaných v supravodivém stavu hmoty jsou vymizení elektrického odporu v supravodiči a vypuzení magnetického toku ( cm. níže) ze svého objemu. První efekt byl interpretován ranými výzkumníky jako důkaz nekonečně velké elektrické vodivosti, odtud název supravodivost.
Zmizení elektrického odporu lze demonstrovat vybuzením elektrického proudu v prstenci supravodivého materiálu. Pokud je prstenec ochlazen na požadovanou teplotu, pak proud v prstenci bude existovat neomezeně dlouho i po odstranění zdroje proudu, který jej způsobil. Magnetický tok je soubor magnetických siločar, které tvoří magnetické pole. Zatímco je intenzita pole pod určitou kritickou hodnotou, je tok vytlačován ze supravodiče, což je schematicky znázorněno na Obr. 1.
Pevná látka, která vede elektřinu, je krystalová mřížka, ve které se mohou pohybovat elektrony. Mřížka je tvořena atomy uspořádanými v geometricky správném pořadí a pohybující se elektrony jsou elektrony z vnějších obalů atomů. Protože tok elektronů je elektrický proud, nazýváme tyto elektrony vodivostní elektrony. Pokud je vodič v normálním (nesupravodivém) stavu, pak se každý elektron pohybuje nezávisle na ostatních. Schopnost jakéhokoli elektronu pohybovat se a tedy udržovat elektrický proud je omezena jeho srážkami s mřížkou a také s atomy nečistot v pevné látce. Aby elektronový proud existoval ve vodiči, musí na něj být aplikováno napětí; to znamená, že vodič má elektrický odpor. Pokud je vodič v supravodivém stavu, pak se vodivostní elektrony spojí do jediného makroskopicky uspořádaného stavu, ve kterém se chovají jako „kolektiv“; Celý „tým“ reaguje i na vnější vlivy. Srážky mezi elektrony a mřížkou se stanou nemožnými a jednou vytvořený proud bude existovat bez externího zdroje proudu (napětí). Supravodivý stav nastává náhle při teplotě zvané přechodová teplota. Nad touto teplotou je kov nebo polovodič v normálním stavu a pod ním - v supravodivém stavu. Teplota přechodu dané látky je určena vztahem mezi dvěma „opačnými silami“: jedna má tendenci uspořádat elektrony a druhá má tendenci toto uspořádání zničit. Například tendence k uspořádání v kovech, jako je měď, zlato a stříbro, je tak malá, že se tyto prvky nestanou supravodičem ani při teplotách pouhých několika milióntin kelvinu nad absolutní nulou. Absolutní nula (0 K, –273,16 °C) je spodní teplotní limit, při kterém látka ztrácí veškeré své teplo. Ostatní kovy a slitiny mají přechodové teploty v rozmezí od 0,000325 do 23,2 K ( viz tabulka). V roce 1986 byly vytvořeny supravodiče z keramických materiálů s neobvykle vysokými teplotami přechodu. U keramických vzorků YBa 2 Cu 3 O 7 tedy teplota přechodu přesahuje 90 K.
Fyzici nazývají supravodivý stav makroskopický kvantově mechanický stav. Kvantová mechanika, která se obvykle používá k popisu chování hmoty v mikroskopickém měřítku, je zde aplikována v makroskopickém měřítku. Právě to, že nám zde kvantová mechanika umožňuje vysvětlit makroskopické vlastnosti hmoty, dělá ze supravodivosti tak zajímavý jev.
Otevírací.
Mnoho informací o kovu pochází ze vztahu mezi vnějším napětím a proudem, který způsobuje. Obecně řečeno, tento vztah má formu rovnosti PROTI/já = R, Kde PROTI- Napětí, já– aktuální a R- elektrický odpor. Podle tohoto zákona (Ohmův zákon) je elektrický proud úměrný napětí při jakékoli hodnotě R, což je koeficient proporcionality.
Odpor je obvykle nezávislý na proudu, ale je závislý na teplotě. Po získání kapalného hélia v roce 1908 začal G. Kamerlingh-Onnes z univerzity v Leidenu (Nizozemsko) měřit odpor čisté rtuti ponořené do kapalného helia a zjistil (1911), že při teplotách kapalného helia odpor rtuti klesá k nule. Později bylo zjištěno, že mnoho dalších kovů a slitin se také stává supravodivými při nízkých teplotách.
Další významný objev učinili v roce 1933 německý fyzik W. Meissner a jeho spolupracovník R. Ochsenfeld. Zjistili, že pokud je válcový vzorek umístěn do podélného magnetického pole a ochlazen pod teplotu přechodu, zcela vypudí magnetický tok. Meissnerův jev, jak byl tento jev nazýván, byl důležitým objevem, protože fyzikům objasnil, že supravodivost je kvantově mechanický jev. Pokud by supravodivost spočívala pouze ve vymizení elektrického odporu, pak by se dala vysvětlit zákony klasické fyziky.
VLASTNOSTI SUPRAVODIČŮ
Ve fyzikální literatuře se látky nebo materiály, které se za různých podmínek mohou nacházet v supravodivém nebo nesupravodivém stavu, často nazývají supravodiče. Stejný jednoduchý (sestávající z identických atomů) kov, slitina nebo polovodič může být supravodivý v některých teplotních rozsazích nebo vnějších magnetických polích; při teplotách nebo polích vyšších kritických hodnot je to obyčejný (obvykle nazývaný normální) vodič.
Po objevení Meissnerova jevu bylo provedeno velké množství experimentů se supravodičem. Mezi zkoumanými vlastnostmi byly:
1) Kritické magnetické pole - hodnota pole, nad kterou je supravodič v normálním stavu. Kritická pole se obvykle pohybují od několika desítek gaussů do několika set tisíc gaussů, v závislosti na supravodiči a jeho metalofyzikálním stavu. Kritické pole daného supravodiče se mění s teplotou a s rostoucí teplotou klesá. Při teplotě přechodu je kritické pole nulové a při absolutní nule maximální (obr. 2).
2) Kritický proud - maximální stejnosměrný proud, který supravodič vydrží bez ztráty supravodivého stavu. Stejně jako kritické magnetické pole i kritický proud silně závisí na teplotě a s rostoucím se snižuje.
3) Hloubka průniku - vzdálenost, do které magnetický tok proniká do supravodiče. Hloubka průniku se ukazuje jako funkce teploty a liší se v různých materiálech: od 3H 10 –6 do 2H 10 –5 cm Magnetický tok je vytlačován ze supravodiče proudy cirkulujícími v povrchové vrstvě, jejíž tloušťka. se přibližně rovná hloubce průniku.
Abychom pochopili, proč je magnetický tok vytlačen, tzn. co způsobuje Meissnerův jev, musíme mít na paměti, že všechny fyzikální systémy inklinují ke stavu s minimální energií. Magnetické pole má určitou energii. Energie supravodiče se zvyšuje v magnetickém poli. Ale opět klesá díky tomu, že v povrchové vrstvě supravodiče vznikají proudy. Tyto proudy vytvářejí magnetické pole, které kompenzuje pole působící zvenčí. Energie supravodiče je vyšší než při absenci vnějšího magnetického pole, ale nižší než v případě, kdy pole proniká dovnitř.
Úplné vypuzení magnetického toku není energeticky výhodné pro všechny supravodiče. V některých materiálech je stavu minimální energie v magnetickém poli dosaženo, pokud některé z čar magnetického toku částečně proniknou materiálem a vytvoří mozaiku supravodivých oblastí, kde není magnetické pole, a normálních oblastí, kde je.
4) Koherenční délka - vzdálenost, na které elektrony vzájemně interagují a vytvářejí supravodivý stav. Elektrony v koherenční délce se pohybují ve shodě – koherentně (jakoby „krokově“). Koherenční délka pro různé supravodiče se pohybuje od 5×10–7 do 10–4 cm Existence velkých koherenčních délek (mnohem větších než atomové rozměry řádově 10–8 cm) je spojena s neobvyklými vlastnostmi supravodičů.
5) Měrná tepelná kapacita - množství tepla potřebné ke zvýšení teploty 1 g látky o 1 K. Měrná tepelná kapacita supravodiče prudce roste v blízkosti teploty přechodu do supravodivého stavu a poměrně rychle klesá s klesající teplotou. teplota. V přechodové oblasti je tedy pro zvýšení teploty látky v supravodivém stavu potřeba více tepla než v normálním stavu a při velmi nízkých teplotách je tomu naopak. Protože měrná tepelná kapacita je určena primárně vodivostními elektrony, tento jev naznačuje, že se stav elektronů mění.
TEORIE SUPRAVODIVOSTI
Před rokem 1957 byla většina pokusů o vysvětlení experimentálních dat fenomenologické povahy: byly založeny na umělých předpokladech nebo volných modifikacích existujících teorií a jejich cílem bylo dosáhnout shody s experimentem. Příkladem pokusů prvního typu je dvoutekutinový model, který předpokládá, že při přechodové teplotě získají některé vodivostní elektrony schopnost pohybovat se bez odporu. Tento model vysvětluje teplotní závislost kritického pole, kritický proud a hloubku průniku, ale neposkytuje nic pro fyzikální pochopení samotného jevu, protože nevysvětluje takovou částečnou supravodivost.
Pokroku bylo dosaženo v roce 1935, kdy teoretičtí fyzici, bratři F. a G. Londonovi, navrhli považovat supravodivost za makroskopický kvantový efekt. (Dříve byly známy pouze kvantové efekty, které byly pozorovány na atomárních měřítcích - řádově 10 -8 cm.) Londonové upravili klasické rovnice elektromagnetismu tak, že výsledkem byl Meissnerův jev, nekonečná vodivost a omezená penetrace. hloubka. Počátkem 50. let A. Pippard z University of Cambridge ukázal, že takový kvantový stav je ve skutečnosti makroskopický, pokrývající vzdálenosti až 10 –4 cm, tzn. 10 000násobek atomového poloměru.
I když byly tyto snahy důležité, nedostaly se k jádru základní interakce, která pohání supravodivost. Určité náznaky povahy této interakce se objevily na počátku 50. let, kdy se zjistilo, že teplota supravodivého přechodu kovů vyrobených z různých izotopů stejného prvku není stejná. Ukázalo se, že čím vyšší atomová hmotnost, tím nižší teplota přechodu. (Izotopy stejného prvku mají stejný počet elektronů, ale různé jaderné hmotnosti.) Izotopový efekt naznačil, že teplota přechodu závisí na hmotnosti atomů krystalové mřížky, a proto supravodivost není čistě elektronický efekt.
Elektrony v kovech.
Objev izotopového efektu znamenal, že supravodivost byla pravděpodobně způsobena interakcemi mezi vodivostními elektrony a atomy v krystalové mřížce. Abychom zjistili, jak to vede k supravodivosti, musíme se podívat na strukturu kovu. Stejně jako všechny krystalické pevné látky se kovy skládají z kladně nabitých atomů uspořádaných v prostoru v přísném pořadí. Pořadí, ve kterém jsou atomy umístěny, lze přirovnat k opakujícímu se vzoru na tapetě, ale vzor se musí opakovat ve třech rozměrech. Vodivostní elektrony se pohybují mezi atomy krystalu rychlostí v rozmezí od 0,01 do 0,001 rychlosti světla; jejich pohyb je elektrický proud.
Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) teorie.
V roce 1956 L. Cooper z University of St. Illinois ukázal, že pokud jsou elektrony k sobě přitahovány, pak bez ohledu na to, jak slabá je přitažlivost, musí „kondenzovat“ do vázaného stavu. Lze předpokládat, že tento vázaný stav je hledaný supravodivý stav. Jak si Cooper představoval, taková přitažlivost je možná mezi dvěma elektrony a měla by vést k vytvoření vázaných párů (nazývaných Cooperovy páry) pohybujících se v krystalové mřížce.
Ale již v roce 1950 G. Froelich navrhl, že elektrony se mohou vzájemně přitahovat díky interakci s atomy mřížky. Tento přitažlivý mechanismus se nazývá interakce elektron-fonon; je to následovně. Zdá se, že elektron pohybující se v krystalové mřížce ji deformuje. To je způsobeno interakcí mezi záporně nabitými elektrony a kladně nabitými atomy mřížky. Elektron pohybující se mřížkou „spojuje“ své atomy. Druhý elektron je pak pod zvýšeným vlivem kladného náboje vtažen do „stažené oblasti“. Energie prvního elektronu, vynaložená na „deformaci mřížky“, se beze ztrát přenese na druhý člen Cooperova páru. Takový pár se pohybuje po mřížce, vyměňuje si energii přes atomy mřížky, ale neztrácí energii jako celek (obr. 3).
Tato interakce je poněkud podobná chování dvou těžkých míčků na gumové membráně. Když se jedna koule kutálí, ohne membránu tak, že ji druhá koule následuje. Elektrony, které jsou podobně nabité, se na rozdíl od kuliček vzájemně odpuzují. Toto vzájemné odpuzování je však silné pouze tehdy, když jsou elektrony velmi blízko u sebe, a rychle klesá, jak se vzdalují. Při interakci zahrnující mřížku neboli interakci elektron-fonon jsou elektrony od sebe značně vzdálené (ve vzdálenosti řádově 5×10 –7 –10 –4 cm). Na takové vzdálenosti je odpuzování elektronů malé ve srovnání s interakcí elektron-fonon, což vede k tomu, že elektrony jsou k sobě účinně přitahovány. (Fonon je kvantum vibrační energie krystalové mřížky.)
Doposud jsme uvažovali pouze jeden Cooperův pár, zatímco ve skutečnosti je v 1 cm 3 hmoty přibližně 10 20 Cooperových párů. Je snadné si představit, že zkreslení mřížky vytvořené jedním Cooperovým párem by mohlo narušit přitažlivost v jiných párech. V roce 1957 J. Bardeen, L. Cooper a J. Schrieffer navrhli tzv. teorii BCS (Bardeen – Cooper – Schrieffer), za kterou jim byla v roce 1972 udělena Nobelova cena za fyziku. Podle této teorie páry tvoří koherentní stav, ve kterém mají všechny stejnou hybnost. Říká se, že tyto koherentní elektrony jsou v jediném kvantovém stavu; tvoří tzv. kvantovou neboli supratekutou kapalinu. Tato koherence elektronů ve velkém měřítku je pozoruhodnou makroskopickou demonstrací kvantových principů.
Teorie BCS vysvětluje mnoho vlastností supravodičů, o kterých jsme již hovořili. Elektrony v supravodiči přecházejí do kolektivního stavu takovým způsobem, že jejich potenciální energie je minimální. Při společném pohybu jsou elektrony k sobě přitahovány mechanismem interakce elektron-fonon a potenciální energie systému se ukazuje být menší než v případě dvou elektronů, které se navzájem nepřitahují. Supravodič v takovém kolektivním stavu je schopen působit proti účinkům proudu nebo magnetického pole zvyšujícím energii; Z toho vyplývá teplotní závislost kritického proudu a pole. Nad teplotou přechodu mají elektrony příliš velkou tepelnou energii a stávají se "excitovanými", tzn. přechod ze supravodivého stavu s nižší energií do normálního stavu s vyšší energií.
Izotopový efekt je vysvětlen skutečností, že u lehčích izotopů je mřížka „rozrušována“ s menší energií. Mřížka těžších izotopů se hůře deformuje, a proto k přechodu do supravodivosti dochází při nižších teplotách. Teorie BCS také vysvětluje, proč dobré vodiče jako měď a zlato nejsou supravodiče. Vodivostní elektrony v těchto látkách snadno procházejí atomovou mřížkou, téměř bez interakce s ní. Díky tomu jsou tyto materiály dobrými elektrickými vodiči, protože ztrácejí málo energie kvůli rozptylu mřížky. K dosažení supravodivého stavu je nutná silná interakce mezi atomy mřížky a elektrony. Z tohoto důvodu velmi dobré vodiče elektřiny obvykle nejsou supravodiče.
Supravodiče 1. a 2. druhu.
Na základě jejich chování v magnetických polích se supravodiče dělí na supravodiče typu 1 a typu 2. Supravodiče typu 1 vykazují ty ideální vlastnosti, které již byly diskutovány. Za přítomnosti magnetického pole vznikají v povrchové vrstvě supravodiče proudy, které zcela kompenzují vnější pole v tloušťce vzorku. Pokud má supravodič tvar dlouhého válce a je v poli rovnoběžném s jeho osou, pak může být hloubka průniku řádově 3×10–6 cm, při dosažení kritického pole supravodivost zmizí a pole úplně proniká do materiálu. Kritická pole pro supravodiče typu 1 se obvykle pohybují od 100 do 800 plynů. Přestože supravodiče typu 1 mají malou hloubku průniku, mají velkou koherenční délku - řádově 10 -4 cm.
Supravodiče typu 2 se vyznačují velkou hloubkou průniku (asi 2×10–5 cm) a krátkou koherenční délkou (5×10–7 cm). V přítomnosti slabého magnetického pole (méně než 500 Gaussů) je veškerý magnetický tok vytlačen ze supravodiče typu 2. Ale vyšší N s 1 – první kritické pole – magnetický tok proniká vzorkem, i když v menší míře než v normálním stavu. Tato částečná penetrace přetrvává až do druhého kritického pole - N s 2, která může přesáhnout 100 kg. S velkými poli N s 2, tok zcela pronikne a látka se stane normální. Charakteristiky různých supravodičů jsou uvedeny v tabulce.
| KRITICKÉ TEPLOTY A POLE | |||
| Materiály | Kritická teplota, K | Kritická pole (při 0 K), G | |
| Supravodiče typu 1 | |||
| Rhodium | 0,000325 | 0,049 | |
| Titan | 0,39 | 60 | |
| Kadmium | 0,52 | 28 | |
| Zinek | 0,85 | 55 | |
| Gallium | 1,08 | 59 | |
| Thallium | 2,37 | 180 | |
| Indium | 3,41 | 280 | |
| Cín | 3,72 | 305 | |
| Rtuť | 4,15 | 411 | |
| Vést | 7,19 | 803 | |
| Supravodiče 2. druhu | Hc 1 | Hc 2 | |
| Niob | 9,25 | 1735 | 4040 |
| Nb3Sn | 18,1 | – | 220 000 |
| Nb3Ge | 23,2 | – | 400 000 |
| Pb 1 Po 5,1 S 6 | 14,4 | – | 600 000 |
| Yba 2 Cu 3 O 7 | 90–100 | 1000* | 1 000 000* |
| * Extrapolováno na absolutní nulu. | |||
Josephsonův efekt.
V roce 1962 B. Josephson, postgraduální student na University of Cambridge, uvažující o tom, co by se stalo, kdyby se dva supravodiče přiblížily na vzdálenost několika angstromů, navrhl, že by se Cooperovy páry měly kvůli „tunelovacímu“ efektu přesunout z jeden supravodič na druhý při nulovém napětí.
Byly předpovězeny dva pozoruhodné efekty. Za prvé, supravodivý (nedisipativní) proud může protékat tunelovým supravodivým kontaktem (spojení sestávající ze dvou supravodičů oddělených dielektrickou vrstvou). Kritická hodnota tohoto proudu závisí na vnějším magnetickém poli. Za druhé, pokud proud přes kontakt překročí kritický přechodový proud, pak se kontakt stane zdrojem vysokofrekvenčního elektromagnetického záření. První z těchto efektů se nazývá stacionární Josephsonův efekt, druhý - nestacionární. Oba účinky jsou jasně pozorovány experimentálně. Zejména byly pozorovány oscilace maximálního supravodivého proudu přechodem s rostoucím magnetickým polem. Pokud proud určený externím zdrojem překročí kritickou hodnotu, objeví se na přechodu napětí PROTI, pravidelně v závislosti na čase. Frekvence oscilací napětí závisí na tom, jak moc proud přes kontakt překročí jeho kritickou hodnotu.
Samozřejmě je nemožné přiblížit dva supravodiče na vzdálenost několika angstromů. Proto byla v experimentech na substrát naprášena tenká vrstva supravodivého materiálu, jako je hliník, poté byla z povrchu oxidována do hloubky několika angstromů a navrch byla naprášena další vrstva hliníku. Připomeňme si, že oxid hlinitý je dielektrikum. Takový „sendvič“ je ekvivalentní dvěma supravodičům umístěným ve vzdálenosti několika angstromů od sebe.
Josephsonův jev je způsoben fázovými vztahy mezi elektrony v supravodivém stavu. Výše bylo řečeno, že podstatou supravodivého stavu je koherentní pohyb Cooperových párů atomovou mřížkou. Koherence Cooperových párů v supravodiči je určena skutečností, že páry elektronů se pohybují „ve fázi“. Cooperovy páry dvou různých supravodičů se pohybují „mimo fázi“. Každý voják pochodové roty tedy drží krok s každým dalším vojákem ve své rotě, ale ne v kroku s vojáky druhé roty. Pokud jsou dva supravodiče přivedeny těsně k sobě, Cooperovy páry mohou tunelovat mezerou mezi nimi. Během tunelování se fáze Cooperovy dvojice mění. Pokud je změna taková, že Cooperův pár začne držet krok s páry ve druhém supravodiči, pak je možné tunelování. To se děje ve stacionárním Josephsonově efektu. Velikost magnetického pole určuje fázový posun získaný tunelovacími dvojicemi.
Přechodný Josephsonův jev nastává, když proud přes přechod překročí kritickou hodnotu pro ustálený Josephsonův jev. Mezi dvěma supravodiči vzniká napětí, které způsobí, že se fáze v obou supravodičích časem mění. To zase způsobí, že tunelový proud osciluje (se změnou jeho směru) v souladu se změnami fázového rozdílu ve dvou supravodičech.
APLIKACE
Od roku 1911 do roku 1986 bylo zkoumáno mnoho supravodivých kovů a slitin, ale nejvyšší naměřená teplota přechodu byla 23,2 K. Chlazení na tuto teplotu vyžadovalo drahé kapalné helium (4 He). Nejúspěšnější aplikace supravodivosti proto zůstaly na úrovni laboratorních experimentů, které nevyžadují velké množství kapalného helia.
Na konci roku 1986 zjistili K. Müller (Švýcarsko) a J. Bednorz (Německo), pracující ve výzkumné laboratoři IBM v Curychu, že keramický vodič složený z atomů lanthanu, barya, mědi a kyslíku má přechodovou teplotu do supravodivý stav rovný 35 K. Brzy výzkumné skupiny po celém světě vyráběly keramické materiály s teplotou přechodu 90 až 100 K, které jsou schopny zůstat supravodiče (typ 2, cm. vyšší) v magnetických polích do 200 kg.
Keramické supravodiče jsou velmi slibné pro aplikace ve velkém měřítku, hlavně proto, že je lze studovat a používat při chlazení relativně levným kapalným dusíkem.
Laboratorní aplikace.
První průmyslovou aplikací supravodivosti bylo vytvoření supravodivých magnetů s vysoce kritickými poli. Cenově dostupné supravodivé magnety umožnily do poloviny 60. let získat magnetická pole nad 100 kG i v malých laboratořích. Dříve vyžadovalo vytváření takových polí pomocí konvenčních elektromagnetů velmi velké množství elektřiny k udržení elektrického proudu ve vinutích a obrovské množství vody k jejich chlazení.
Další praktická aplikace supravodivosti se týká technologie citlivých elektronických zařízení. Experimentální vzorky zařízení s Josephsonovým kontaktem dokážou detekovat napětí v řádu 10–15 W. Magnetometry schopné detekovat magnetická pole řádu 10–9 Gaussů se používají při studiu magnetických materiálů a také v lékařských magnetokardiografech. Extrémně citlivé detektory změn gravitace mohou být použity v různých oblastech geofyziky.
Techniky supravodivosti a zejména kontakty Josephson mají stále větší vliv na metrologii. Pomocí kontaktů Josephson byl vytvořen standard 1 V Pro kryogenní oblast byl vyvinut také primární teploměr, ve kterém se používají ostré přechody v určitých látkách k získání referenčních (konstantních) teplotních bodů. Nová technika se používá v současných komparátorech, měření RF výkonu a absorpčního koeficientu a měření frekvence. Používá se také v základním výzkumu, jako je měření zlomkových nábojů atomových částic a testování teorie relativity.
Supravodivost najde široké uplatnění ve výpočetní technice. Zde mohou supravodivé prvky zajistit velmi rychlé spínací časy, zanedbatelné ztráty výkonu při použití tenkovrstvých prvků a vysoké hustoty zaplnění objemových obvodů. Prototypy tenkovrstvých kontaktů Josephson jsou vyvíjeny v obvodech obsahujících stovky logických a paměťových prvků.
Průmyslové aplikace.
Nejzajímavější potenciální průmyslové aplikace supravodivosti zahrnují výrobu, přenos a využití elektrické energie. Například supravodivý kabel o průměru několika palců může přenášet stejné množství elektřiny jako obrovská síť pro přenos energie s velmi malou nebo žádnou ztrátou. Náklady na izolaci a chlazení kryovodičů musí být kompenzovány účinností přenosu energie. S příchodem keramických supravodičů chlazených kapalným dusíkem se přenos energie pomocí supravodičů stává ekonomicky velmi atraktivní.
Další možná aplikace supravodičů je ve výkonných generátorech proudu a malých elektromotorech. Vinutí supravodivých materiálů by mohlo vytvořit obrovská magnetická pole v generátorech a elektromotorech, díky čemuž jsou výrazně výkonnější než běžné stroje. Prototypy byly vytvořeny již dlouho a keramické supravodiče by mohly takové stroje učinit docela ekonomickými. Zvažují se také možnosti využití supravodivých magnetů pro akumulaci elektřiny, v magnetohydrodynamice a pro výrobu termojaderné energie.
Inženýři dlouho přemýšleli, jak by bylo možné využít obrovská magnetická pole vytvořená supravodičem pro vlaky maglev (magnetická levitace). Díky vzájemným odpudivým silám mezi pohybujícím se magnetem a proudem indukovaným ve vodicím vodiči by se vlak pohyboval hladce, bez hluku a tření a byl by schopen dosahovat velmi vysokých rychlostí. Experimentální vlaky maglev v Japonsku a Německu dosáhly rychlosti téměř 300 km/h.
Význam supravodivosti v moderním světě.
K dnešnímu dni je známo přes 500 čistých prvků a slitin, které mají vlastnost supravodivosti. Hlavní výhodou supravodičů je radikální snížení ztrát elektřiny při výrobě a přenosu. Na základě tohoto jevu je možné zmenšit velikost výrobních zařízení a motorů, vytvářet nová elektronická zařízení a vyvíjet vysoce výkonné elektromagnety pro vědecký výzkum a průmysl.
Využití supravodivosti v elektrárnách a v systémech přenosu a distribuce energie navíc umožňuje snížit množství spalovaného paliva bez snížení výroby elektřiny a v důsledku toho snížit procento škodlivých emisí do atmosféry.
Koncept supravodivosti
Supravodivost- fyzikální jev pozorovaný u některých látek (supravodičů) při jejich ochlazení pod určitou kritickou teplotu, jehož fyzikálním smyslem je otočení elektrického odporu na nulu a vytlačení magnetického pole z objemu vzorku (obrázek 1) .
Obr. 1 Magnetický tok proniká tyčí v normálním stavu (a), ale je vytlačován z tyče ochlazené do supravodivého stavu (b).
§ 2.2 Historie objevů:
Základem pro objev fenoménu supravodivosti byl vývoj technologií chlazení materiálů na ultranízké teploty. Po získání kapalného hélia v roce 1908 začal G. Kamerlingh-Onnes z univerzity v Leidenu (Nizozemsko) měřit odpor čisté rtuti ponořené do kapalného helia a zjistil (1911), že při teplotách kapalného helia odpor rtuti klesá k nule. Později bylo zjištěno, že mnoho dalších kovů a slitin se také stává supravodivými při nízkých teplotách.
Další významný objev učinili v roce 1933 německý fyzik W. Meissner a jeho spolupracovník R. Ochsenfeld. Zjistili, že pokud je válcový vzorek umístěn do podélného magnetického pole a ochlazen pod teplotu přechodu, zcela vypudí magnetický tok. Meissnerův jev, jak byl tento jev nazýván, byl důležitým objevem, protože fyzikům objasnil, že supravodivost je kvantově mechanický jev. Pokud by supravodivost spočívala pouze ve vymizení elektrického odporu, pak by se dala vysvětlit zákony klasické fyziky.
§ 2.3 Podstata supravodivosti a Meisenerova jevu:
Pevná látka, která vede elektřinu, je krystalová mřížka, ve které se mohou pohybovat elektrony. Mřížka je tvořena atomy uspořádanými v geometricky správném pořadí a pohybující se elektrony jsou elektrony z vnějších obalů atomů. Pokud je vodič v normálním (nesupravodivém) stavu, pak se každý elektron pohybuje nezávisle na ostatních. Schopnost jakéhokoli elektronu pohybovat se a tedy udržovat elektrický proud je omezena jeho srážkami s mřížkou a také s atomy nečistot v pevné látce. Aby elektronový proud existoval ve vodiči, musí na něj být aplikováno napětí; to znamená, že vodič má elektrický odpor. Pokud je vodič v supravodivém stavu, pak se elektrony spojí do jediného makroskopicky uspořádaného stavu, ve kterém se chovají jako „kolektiv“; Celý „tým“ reaguje i na vnější vlivy. Srážky mezi elektrony a mřížkou se stanou nemožnými a jednou vytvořený proud bude existovat bez externího zdroje proudu (napětí). Supravodivý stav nastává náhle při teplotě zvané přechodová teplota. Nad touto teplotou je kov nebo polovodič v normálním stavu a pod ním - v supravodivém stavu. Teplota přechodu dané látky je určena vztahem mezi dvěma „opačnými silami“: jedna má tendenci uspořádat elektrony a druhá má tendenci toto uspořádání zničit. Například tendence k uspořádání v kovech, jako je měď, zlato a stříbro, je tak malá, že se tyto prvky nestanou supravodičem ani při teplotách pouhých několika milióntin kelvinu nad absolutní nulou. Ostatní kovy a slitiny mají přechodové teploty v rozmezí od 0,000325 do 23,2 K.
Meisenerův efekt(vytlačení magnetického pole) je způsobeno tím, že všechny fyzikální systémy inklinují ke stavu s minimální energií. Magnetické pole má určitou energii. Energie supravodiče se zvyšuje v magnetickém poli. Ale opět klesá díky tomu, že v povrchové vrstvě supravodiče vznikají proudy. Tyto proudy vytvářejí magnetické pole, které kompenzuje pole působící zvenčí. Energie supravodiče je vyšší než při absenci vnějšího magnetického pole, ale nižší než v případě, kdy pole proniká dovnitř.
§ 2.4 Teoretické odůvodnění:
První teorií, která tvrdila, že poskytuje mikroskopické vysvětlení příčin supravodivosti, byla Bardeen-Cooper-Schriefferova teorie, kterou vytvořili v 50. letech minulého století. Tato teorie získala všeobecné uznání pod názvem BCS a v roce 1972 byla oceněna Nobelovou cenou. Při tvorbě své teorie autoři vycházeli z izotopového efektu, tedy z vlivu hmotnosti izotopu na kritickou teplotu supravodiče. Věřilo se, že jeho existence přímo ukazuje na vznik supravodivého stavu v důsledku činnosti fononového mechanismu.
V roce 1911 objevil holandský fyzik H. Kamerlingh-Onnes fenomén supravodivosti. Měřil elektrický odpor rtuti při nízkých teplotách. Onnes chtěl zjistit, jak nízká by mohla být odolnost látky vůči elektrickému proudu, pokud by byla látka co nejvíce očištěna od nečistot a co nejvíce snížen „tepelný šum“, tzn. snížit teplotu.
Výsledek této studie byl neočekávaný: při teplotách pod 4,15 K odpor zmizel téměř okamžitě. Graf tohoto chování odporu v závislosti na teplotě je na Obr. 1.
Elektrický proud je pohyb nabitých částic. Již v té době bylo známo, že elektrický proud v pevných látkách je tok elektronů. Jsou záporně nabité a mnohem lehčí než atomy, které tvoří jakoukoli látku.
Každý atom se zase skládá z kladně nabitého jádra a elektronů, které s ním a mezi sebou interagují podle Coulombova zákona. Každý atomový elektron zaujímá určitou „orbitu“. Čím blíže je „orbita“ k jádru, tím silnější je elektron k němu přitahován, tím více energie je potřeba k odtržení takového elektronu od jádra. Naopak elektrony nejvzdálenější od jádra se z něj nejsnáze oddělí, i když to také vyžaduje energii.
Vnější elektrony se nazývají valenční elektrony. V látkách nazývaných kovy se ve skutečnosti oddělují od atomů, když se spojí a vytvoří pevnou látku a vytvoří plyn téměř volných elektronů. Toto je jednoduchý, krásný a často správný fyzikální obrázek: kus hmoty je jako nádoba, ve které je „plyn“ elektronů (obr. 2).
Pokud vytvoříme elektrické pole - přivedeme napětí na zkoumaný kus látky, objeví se v elektronovém plynu vítr, jakoby pod vlivem tlakového rozdílu. Tento vítr je elektrický proud.
Kovy
Ne všechny látky dobře vedou elektrický proud. V dielektrikách zůstávají valenční elektrony „svázané“ se svými atomy a není tak snadné je přimět, aby se pohybovaly celým vzorkem.
Je poměrně obtížné vysvětlit, proč se některé látky ukáží jako kovy, zatímco jiné jsou dielektrika. Záleží na tom, z jakých atomů se skládají a jak jsou tyto atomy uspořádány. Někdy jsou možné přeměny, kdy se změní uspořádání atomů, např. vlivem tlaku se atomy přiblíží a dielektrikum se stane kovem.
Dielektrikem neprotéká žádný proud, ale ani v kovech se elektrony nepohybují zcela volně. Narazí na atomová „jádra“, od kterých se „odtrhli“ a jsou na ně rozptýleni. V tomto případě dochází ke tření nebo, jak se říká, elektrický proud zažívá odpor.
Při supravodivosti odpor mizí a stává se rovným nule, tzn. pohyb elektronů probíhá bez tření. Mezitím zkušenost našeho každodenního života ukazuje, zdá se, že takový pohyb je nemožný.
Práce fyziků po desetiletí směřovala k vyřešení tohoto rozporu.
Objevená vlastnost je tak neobvyklá, že se nazývají kovy, které mají odpor, na rozdíl od supravodičů normální.
Odpor
Elektrický odpor kusu kovu (například drátu) se měří v ohmech a je určen velikostí a materiálem vzorku. Ve vzorci
R = ρ × l / S
R- odpor, l— délka (velikost vzorku ve směru, kterým teče proud), S— průřez vzorku. Po napsání takového vzorce se zdá, že pokračujeme ve srovnávání elektronů s plynem: čím širší a kratší je potrubí, tím snazší je profukovat plyn.
Hodnota ρ — rezistivita, charakterizující vlastnosti materiálu, ze kterého je vzorek vyroben.
Pro čistou měď při pokojové teplotě ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.
Měď je jedním z nejvíce vodivých kovů a je široce používána k výrobě elektrických drátů. Některé další kovy vedou elektřinu při pokojové teplotě hůře:
Pro srovnání uvádíme odpory některých dielektrik, také při pokojové teplotě:
Když teplota klesne T Rezistivita mědi postupně klesá a při teplotě několika kelvinů je 10 -9 Ohm cm, ale měď se nestává supravodičem. A hliník, olovo, rtuť přecházejí do supravodivého stavu a experimenty s nimi prováděné ukazují, že měrný odpor supravodiče v žádném případě nepřesahuje 10 -23 Ohm cm - sto bilionkrát méně než měď!
Zbytkový odpor
Odpor kovu závisí na teplotě. Podmíněný graf ρ( T), řekněme, pro měď, vidíte na Obr. 3. Čím vyšší teplota, tím větší odpor, tím více atomová „jádra“, která tvoří kov, vibrují a tím větší rušení představují elektrický proud. Pokud naopak přiblížíme teplotu k absolutní nule, bude mít odpor vzorku „inklinaci“ k ρ 0 - zbytkový odpor. Zbytkový odpor závisí na dokonalosti a složení vzorku. V každé látce jsou atomy cizích nečistot, stejně jako všechny druhy jiných defektů. Čím méně defektů je ve vzorku, tím nižší je zbytkový odpor. Právě tato závislost Onnese v roce 1911 zajímala. Vůbec nehledal „supravodivost“, ale snažil se zjistit, jak malý zbytkový odpor lze dosáhnout čištěním vzorku. Experimenty se rtutí prováděl proto, že v té době bylo možné rtuť přivést do vyššího stupně čistoty než platina, zlato nebo měď (tyto kovy jsou lepší vodiče než rtuť a Onnes je studoval ještě před objevem supravodivosti. Ani zlato, ani platina měď je „supravodivá“).
Kritická teplota
Supravodivost nastává náhle, když teplota klesá. Teplota T c, při jehož dosažení dojde ke skoku, se nazývá kritický. Pečlivá studie ukazuje, že takový přechod je pozorován v určitém teplotním rozmezí (obr. 4). Tření pohybujících se elektronů mizí bez ohledu na „čistotu“ vzorku, ale čím „čistší“ vzorek, tím ostřejší je skok v odporu u „nejčistších“ vzorků menší než setina stupně. V tomto případě se mluví o „dobrých“ vzorcích nebo supravodičích; u „špatných“ vzorků může šířka přechodu dosahovat desítek stupňů. (To se samozřejmě týká tzv. vysokoteplotních supravodičů, ve kterých T c dosahuje stovek kelvinů.)
Kritická teplota je pro každou látku jiná. Tato teplota a rok objevu supravodivosti (přesněji rok vydání článku o ní) jsou uvedeny na Obr. 5 pro několik čistých prvků. Niob má nejvyšší (při atmosférickém tlaku) kritickou teplotu ze všech prvků v Mendělejevově periodické tabulce, i když nepřesahuje 10 K.
Onnes objevil nejen supravodivost rtuti, cínu a olova, ale našel i první supravodivé slitiny – slitiny rtuti se zlatem a cínem. Od té doby tato práce pokračuje, stále více nových sloučenin bylo testováno na supravodivost a třída supravodičů se postupně rozšiřovala.
Nízké teploty
Výzkum supravodivosti postupoval velmi pomalu. Pro pozorování jevu bylo nutné kovy ochladit na nízké teploty, a to není tak jednoduché. Vzorek musí být neustále chlazen, k čemuž je umístěn do chladicí kapaliny. Všechny kapaliny, které známe z každodenní praxe, zamrzají a tvrdnou při nízkých teplotách. Proto je nutné látky, které jsou plyny, zkapalňovat za pokojových podmínek. Na Obr. Je uvedeno 6 teplot varu T b a tání T m pět látek (při atmosférickém tlaku).
Pokud snížíte teplotu níže T b, látka zkapalní, a níže T m to ztvrdne. (Hélium při atmosférickém tlaku zůstává kapalné až do teplot absolutní nuly.) Takže pro naše účely lze kteroukoli z těchto látek použít mezi T b a T m Až do roku 1986 maximální známá kritická teplota supravodivosti sotva přesáhla 20 K, takže při studiu supravodivosti nebylo možné se obejít bez kapalného helia. Dusík je také široce používán jako chladivo. Dusík a helium se používají v postupných fázích chlazení. Obě tyto látky jsou neutrální a bezpečné.
Zkapalňování helia je samo o sobě velmi zajímavým a fascinujícím problémem, jehož řešením se na přelomu 19. a 20. století zabývalo mnoho fyziků. Onnes dosáhl svého cíle v roce 1908. Speciálně pro to vytvořil laboratoř v Leidenu (Nizozemsko). Laboratoř měla 15 let monopol na unikátní výzkum v novém teplotním rozsahu. V letech 1923-1925. Tekuté helium se naučili vyrábět v dalších dvou laboratořích na světě – v Torontu a Berlíně. V Sovětském svazu se takové zařízení objevilo na počátku třicátých let. na Charkovském institutu fyziky a technologie.
Po druhé světové válce se v mnoha zemích postupně rozvinul celý průmysl, který zásoboval laboratoře kapalným héliem. Předtím bylo vše „samoobslužné“. Technické potíže a fyzikální složitost jevu způsobily, že znalosti o supravodivosti se hromadily velmi pomalu. Pouhých 22 let po prvním objevu byla objevena druhá základní vlastnost supravodičů.
Meissnerův efekt
O jeho pozorování informovali v roce 1933 němečtí fyzici W. Meissner a R. Ochsenfeld.
Dosud jsme zánik elektrického odporu nazývali supravodivostí. Supravodivost je však složitější než pouhá absence odporu. To je také určitá reakce na vnější magnetické pole. Meissnerův efekt je, když je ze supravodivého vzorku vytlačeno konstantní, nepříliš silné magnetické pole. V tloušťce supravodiče je magnetické pole oslabeno na nulu a magnetismus lze nazvat jakoby opačné vlastnosti.
Při hledání nových supravodičů se testují obě hlavní vlastnosti supravodivosti:
- v supravodiči mizí elektrický odpor;
- Ze supravodiče je vytlačeno magnetické pole.
V některých případech může být u „špinavých“ supravodičů pokles odporu s teplotou mnohem větší, než je znázorněno na obr. 1 pro rtuť. V historii výzkumu se opakovaně stalo, že si fyzici spletli se supravodivostí pokles odporu z nějakého jiného důvodu, například kvůli obyčejnému zkratu.
K prokázání existence supravodivosti je nutné pozorovat projevy alespoň obou jejích hlavních vlastností. Velmi působivý experiment demonstrující přítomnost Meissnerova jevu je uveden na Obr. 7: Permanentní magnet se vznáší nad supravodivým pohárkem. Poprvé takový experiment provedl sovětský fyzik V. K. Arkadyev v roce 1945.
V supravodiči vznikají proudy, které tlačí magnetické pole, jejich magnetické pole odpuzuje permanentní magnet a kompenzuje jeho váhu. Důležité jsou také stěny kalíšku, které magnet tlačí ke středu. Nad plochým dnem je poloha magnetu nestabilní; náhodné otřesy způsobí jeho posunutí do strany. Tento plovoucí magnet připomíná legendy o levitaci. Nejznámější legenda je o hrobě náboženského proroka. Rakev umístěná v jeskyni se tam vznášela ve vzduchu bez jakékoli viditelné podpory. Nyní nelze s jistotou říci, zda se takové příběhy zakládají na nějakých skutečných jevech. Nyní je technicky možné „uskutečnit legendu“ pomocí Meissnerova efektu.
Magnetické pole
Moderní fyzika používá pojem pole k popisu vlivu jednoho tělesa na druhé na dálku, bez přímého kontaktu. Náboje a proudy tedy interagují prostřednictvím elektromagnetického pole. Každý, kdo studoval zákony elektromagnetického pole, zná vizuální obraz pole – obraz jeho siločar. Tento obrázek jako první použil anglický fyzik M. Faraday. Pro názornost je užitečné si připomenout jiný obrázek pole, který použil další anglický fyzik – J. C. Maxwell.
Představte si, že pole je pohybující se tekutina, jako je voda, proudící ve směrech siločar. Pokusme se s jeho pomocí popsat interakci nábojů podle Coulombova zákona. Nechť existuje bazén, pro jednoduchost plochý a mělký, jeho pohled shora je znázorněn na Obr. 8. Na dně jsou dva otvory: jedním vstupuje voda do bazénu (to je jako kladný náboj) a druhým vytéká (jde o odtok nebo záporný náboj). Voda proudící v takovém bazénu představuje elektrické pole dvou stacionárních nábojů. Voda je průhledná a její proudění je pro nás nepostřehnutelné. Ale pojďme do trysek zavést „testovací pozitivní náboj“ – míček na provázku. Okamžitě ucítíme sílu – kapalina nese kuličku spolu s ní.
Voda unáší míček od zdroje - jako náboje odpuzují. Míč je přitahován k drenáži nebo náboji jiného znamení a síla mezi náboji závisí na vzdálenosti mezi nimi, jak vyžaduje Coulombův zákon.
Proudy a pole v supravodičích
Abyste pochopili chování proudů a polí v supravodičech, musíte si zapamatovat zákon magnetické indukce. Nyní je pro naše účely užitečnější dát tomu obecnější formulaci než ve školním kurzu fyziky. Zákon magnetické indukce ve skutečnosti hovoří o vztahu mezi elektrickým a magnetickým polem. Představíme-li si elektromagnetické pole jako tekutinu, pak vztah mezi elektrickou a magnetickou složkou pole lze znázornit jako vztah mezi klidným (laminárním) a vírovým prouděním tekutiny. Každý z nich může existovat sám o sobě. Mějme před sebou například klidné široké proudění – rovnoměrné elektrické pole. Pokud se pokusíte toto pole změnit, tzn. Jako by se kapalina zpomalila nebo urychlila, jistě se objeví víry - magnetické pole. Změna magnetického pole vždy vede ke vzniku elektrického pole a elektrické pole indukuje proud ve vodivém obvodu, to je obvyklý jev magnetické indukce: změna magnetického pole indukuje proud. Právě tento fyzikální zákon funguje ve všech elektrárnách na světě a tak či onak způsobuje změny magnetického pole ve vodiči. Výsledné elektrické pole generuje proud, který proudí do našich domovů a průmyslových závodů.
Ale vraťme se k supravodičům. Stejnosměrný proud v supravodiči nevyžaduje přítomnost elektrického pole a v rovnovážné situaci je elektrické pole v supravodiči nulové. Takové pole by urychlilo elektrony, ale nevzniká odpor ani tření, které by vyrovnalo zrychlení v supravodičech. Libovolně malé konstantní elektrické pole by vedlo k nekonečnému nárůstu proudu, což je nemožné. Elektrické pole vzniká pouze v nesupravodivých úsecích obvodu. Proud teče v supravodičích bez poklesu napětí.
Mentální úvaha neodhalí nic, co by mohlo bránit existenci magnetického pole v supravodiči. Je však jasné, že supravodič zabrání změně magnetického pole. Změna magnetického pole by totiž generovala proud, který by vytvořil magnetické pole, které by kompenzovalo původní změnu.
Takže každý supravodičový obvod musí udržovat magnetické pole, které jím prochází. (Magnetický tok smyčkou je jednoduše součin síly magnetického pole a plochy smyčky.)
Totéž by se mělo stát v tloušťce supravodiče. Pokud například přiblížíme magnet k supravodivému vzorku, jeho magnetické pole nemůže proniknout supravodičem. Každý takový „pokus“ vede ke vzniku proudu v supravodiči, jehož magnetické pole kompenzuje vnější pole. Výsledkem je, že v tloušťce supravodiče není žádné magnetické pole a po povrchu teče přesně proud, který je k tomu potřebný. V tloušťce obyčejného vodiče, který je zaveden do magnetického pole, se vše děje úplně stejně, ale je tam odpor a indukovaný proud docela rychle zaniká a jeho energie se třením mění v teplo. (Toto teplo lze experimentálně zjistit velmi snadno: přibližte ruku k funkčnímu transformátoru a ucítíte teplo, které z něj vychází.) V supravodiči není žádný odpor, proud nevyhasne a „nepustí“ magnetické pole bude působit libovolně dlouho. Popsaný obrázek je přesný a opakovaně potvrzený zkušenostmi.
Nyní provedeme další mentální experiment. „Vezměme“ stejný kus supravodivé látky, ale při dostatečně vysoké teplotě, kdy je ještě v normálním stavu. Uveďme to do magnetického pole a počkáme, až se vše uklidní, proudy vyhasnou - látka je prostoupena magnetickým tokem. Snížíme teplotu a počkáme, až látka přejde do supravodivého stavu. Zdá se, že snížení teploty by nemělo ovlivnit obrazec magnetického pole. Magnetický tok v supravodiči by se neměl měnit. Pokud odstraníte magnet - zdroj vnějšího magnetického pole, pak by tomu měl supravodič odolat a na povrchu by se měly objevit supravodivé proudy udržující magnetické pole uvnitř látky.
Toto chování je však zcela v rozporu s tím, co je pozorováno experimentálně: Meissnerův efekt se objeví i v tomto případě. Pokud ochladíte normální kov v magnetickém poli, tak když přejde do supravodivého stavu, magnetické pole se ze supravodiče vytlačí. Na jeho povrchu se přitom objevuje spojitý proud, který zajišťuje nulové magnetické pole v tloušťce supravodiče. Popsaný obraz supravodivého stavu je vždy dodržen, bez ohledu na to, jak je přechod do tohoto stavu proveden.
Tento popis je samozřejmě extrémně zidealizovaný a s postupem prezentace jej budeme komplikovat. Nyní ale stojí za zmínku, že existují dva typy supravodičů, které reagují na magnetické pole odlišně. Začali jsme mluvit o vlastnostech supravodičů typu I, s jejichž objevem supravodivost začala. Později byly objeveny supravodiče typu II s mírně odlišnými vlastnostmi. Jsou spojeny především s praktickými aplikacemi supravodivosti.
Ideální diamagnetismus
Vytlačení magnetického pole je pro fyzika stejně překvapivé jako absence odporu. Faktem je, že konstantní magnetické pole obvykle proniká všude. Není rušen uzemněným kovem stínícím elektrické pole. Ve většině případů není hranicí tělesa pro magnetické pole stěna omezující jeho „proudění“, ale spíše malý schůdek na dně bazénu, který mění hloubku a tento „proudění“ mírně ovlivňuje. Síla magnetického pole v látce se mění o setiny nebo tisíciny procenta ve srovnání s její silou venku (s výjimkou magnetických látek, jako je železo a další feromagnetika, kde se k vnějšímu přidává velké vnitřní magnetické pole). Ve všech ostatních látkách je magnetické pole buď mírně zesílené - a takové látky se nazývají paramagnetické, nebo mírně zeslabené - takové látky se nazývají diamagnetické.
U supravodičů je magnetické pole oslabeno na nulu, ano ideální diamagnetické materiály.
Magnetické pole „nepropustí“ pouze clona trvale udržovaných proudů. Supravodič sám vytvoří takovou clonu na svém povrchu a udržuje ji tak dlouho, jak je požadováno. Meissnerův jev neboli ideální diamagnetismus supravodiče proto není o nic méně překvapivý než jeho ideální vodivost.
Na Obr. Obrázek 9 zhruba ukazuje, co se stane s kovovou kuličkou při změně teploty T a aplikace magnetického pole H(čáry magnetického pole jsou označeny šipkami, které pronikají nebo obtékají vzorek). Kov v normálním stavu je označen modře, pokud kov přejde do supravodivého stavu, barva se změní na zelenou. Pro srovnání na Obr. 9, PROTI ukazuje, jak by se choval ideální vodič (označovaný písmeny IC) - kov bez Meissnerova jevu s nulovým odporem (pokud by existoval). Tento stav je označen červeně.
Rýže. 9. Meissnerův efekt:
A- normální vodič s nenulovým odporem při jakékoliv teplotě (1) je zaveden do magnetického pole. V souladu se zákonem elektromagnetické indukce vznikají proudy, které odolávají pronikání magnetického pole do kovu (2). Pokud je však odpor nenulový, rychle se rozpadají. Magnetické pole proniká vzorkem normálního kovu a je téměř rovnoměrné (3);
b- z normálního stavu při teplotě nad T c jsou dva způsoby: Za prvé: při poklesu teploty přejde vzorek do supravodivého stavu, poté může být aplikováno magnetické pole, které je vytlačeno ze vzorku. Za druhé: nejprve aplikujte magnetické pole, které proniká vzorkem, a poté snižte teplotu, pak bude pole během přechodu vytlačeno. Vypnutí magnetického pole poskytuje stejný obraz;
PROTI- pokud by nebyl Meissnerův jev, choval by se vodič bez odporu jinak. Při přechodu do stavu bez odporu v magnetickém poli by udržel magnetické pole a zadržel by ho i při odstranění vnějšího magnetického pole. Takový magnet by bylo možné demagnetizovat pouze zvýšením teploty. Toto chování však nebylo experimentálně pozorováno.
Trocha historie
V další kapitole si povíme podrobněji o úžasných vlastnostech supravodičů a tuto kapitolu bychom rádi uzavřeli výčtem nejdůležitějších prací, které provedli fyzici při studiu supravodivosti.
Předně jsou to již zmíněné objevy H. Kamerlingha Onnese (1911) a W. Meissnera a R. Ochsenfelda (1933). První teoretické vysvětlení chování supravodiče v magnetickém poli bylo navrženo v Anglii (1935) německými fyziky F. Londonem a G. Londonem, kteří emigrovali z Německa. V roce 1950 L. D. Landau a jeden z autorů této knihy napsali článek, ve kterém vybudovali obecnější teorii supravodivosti. Tento popis se ukázal jako vhodný a používá se dodnes, nazývá se Ginzburg-Landauova teorie nebo ψ teorie supravodivosti.
Mechanismus jevu objevili v roce 1957 američtí fyzici J. Bardeen, L. Cooper a J. Schrieffer. Na základě velkých písmen jejich názvů se tato teorie nazývá teorie BCS a samotný mechanismus (je pro ni zásadní párové chování elektronů) se často nazývá „Cooperovo párování“, protože jeho myšlenku vynalezl L. Cooper. Pro rozvoj fyziky supravodivosti sehrálo velkou roli zjištění existence dvou typů supravodičů – typu I a II. Merkur a řada dalších supravodičů jsou supravodiče typu I. Supravodiče typu II jsou většinou slitiny dvou nebo více prvků. Velkou roli v objevu supravodivosti typu II sehrála práce L.V. Shubnikova a jeho kolegů v Charkově ve 30. a A.A. Abrikosov v 50. letech 20. století.
Velký vliv měly navíc objevy a výzkumy v 50. letech. sloučeniny s relativně vysokými kritickými teplotami, schopné odolávat velmi vysokým magnetickým polím a procházet proudy o vysoké hustotě v supravodivém stavu. Snad vrcholem těchto studií byly pokusy J. Künzlera a jeho kolegů (1960). Prokázali, že drát Nb 3 Sn při T= 4,2 K v poli 88 000 Oe (silnější pole prostě k dispozici neměli) prochází proud o hustotě 100 tisíc A/cm 2. Tehdy objevené supravodiče stále fungují v technických zařízeních. Takové materiály jsou nyní klasifikovány jako speciální třída supravodičů, které se nazývají „tvrdé supravodiče“.
V roce 1962 anglický fyzik B. Josephson teoreticky předpověděl zcela neobvyklé jevy, které by měly nastat na kontaktech supravodičů. Tyto předpovědi se pak plně potvrdily a jevy samotné byly nazývány slabou supravodivostí nebo Josephsonovými jevy a rychle našly praktické uplatnění.
Konečně článek (1986) fyziků pracujících v Curychu, Švýcara A. Müllera a Němce G. Bednorze, znamenal objev nové třídy supravodivých látek – vysokoteplotní supravodiče – a dal podnět k lavině nového výzkumu. v této oblasti.
Stupně Kelvinovy stupnice se obvykle označují velkým písmenem K, rovnají se obvyklým stupňům Celsia, ale počítají se od absolutní nulové teploty. Na Celsiově stupnici je teplota absolutní nuly -273,16°C, takže zmíněná teplota 4,15 K se rovná -269,01°C. V následujícím textu se pokusíme poskytnout zaokrouhlené hodnoty.
Obraz výskytu elektrického odporu je samozřejmě složitější a podrobněji se na něj podíváme později.
Metoda „destilace“ podobná procesu destilace vody.
(77 K), mnohem levnější kryogenní kapalina.
Encyklopedický YouTube
1 / 5
✪ Lekce 296. Teplotní závislost odolnosti kovů. Supravodivost
✪ Supravodivost. Elektrický proud v různých prostředích. Vzdělávací film
✪ SUPERVODIČ A KVANTOVÁ LEVITACE!
✪ Supravodivost (vyprávěl fyzik Boris Fain)
✪ Elektrická vodivost různých látek | Fyzika třída 10 #57 | Info lekce
titulky
Historie objevů
Základem pro objev fenoménu supravodivosti byl vývoj technologií chlazení materiálů na ultranízké teploty. V roce 1877 francouzský inženýr Louis Cayette a švýcarský fyzik Raoul Pictet nezávisle zchladili kyslík do kapalného stavu. V roce 1883 provedli Zygmunt Wróblewski a Karol Olszewski zkapalňování dusíku. V roce 1898 se Jamesi Dewarovi podařilo získat kapalný vodík.
V roce 1893 začal holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes studovat problém ultranízkých teplot. Podařilo se mu vytvořit nejlepší kryogenní laboratoř na světě, ve které 10. července 1908 získal tekuté helium. Později se mu podařilo zvýšit její teplotu na 1 Kelvin. Kamerlingh Onnes použil kapalné helium ke studiu vlastností kovů, zejména k měření závislosti jejich elektrického odporu na teplotě. Podle klasických teorií, které tehdy existovaly, by měl odpor s klesající teplotou plynule klesat, ale panoval i názor, že při příliš nízkých teplotách se elektrony prakticky zastaví a kov úplně přestane vést proud. Experimenty, které provedl Kamerlingh Onnes se svými asistenty Cornelisem Dorsmanem a Gillesem Holstem, zpočátku potvrdily závěr o hladkém poklesu odporu. 8. dubna 1911 však nečekaně zjistil, že při 3 Kelvinech (asi −270 °C) je elektrický odpor prakticky nulový. Další experiment, provedený 11. května, ukázal, že k prudkému poklesu odporu k nule dochází při teplotě asi 4,2 K (později přesnější měření ukázala, že tato teplota je 4,15 K). Tento efekt byl zcela neočekávaný a nemohl být vysvětlen tehdy existujícími teoriemi.
Nulová odolnost není jediným rozlišovacím znakem supravodičů. Jedním z hlavních rozdílů mezi supravodičem a ideálními vodiči je Meissnerův jev, který objevili Walter Meissner a Robert Oxenfeld v roce 1933.
Později bylo zjištěno, že supravodiče se dělí do dvou velkých rodin: supravodiče typu I (které zahrnují zejména rtuť) a typu II (což jsou obvykle slitiny různých kovů). Významnou roli v objevu supravodivosti II.
Velký význam pro praktické aplikace ve vysokovýkonných elektromagnetech měl v 50. letech objev supravodičů schopných odolávat silným magnetickým polím a přenášet vysoké proudové hustoty. Tak byl v roce 1960 pod vedením J. Künzlera objeven materiál Nb 3 Sn, drát, kterým je při teplotě 4,2 K schopen procházet proud o hustotě až 100 kA/cm². magnetické pole 8,8T.
V roce 2015 byl stanoven nový rekord v teplotě, při které je dosaženo supravodivosti. Pro H 2 S (sirovodík) při tlaku 100 GPa byl zaznamenán supravodivý přechod při teplotě 203 K (-70 °C).
Klasifikace
Existuje několik kritérií pro klasifikaci supravodičů. Zde jsou ty hlavní:
Vlastnosti supravodičů
Nulový elektrický odpor
Pro stejnosměrný elektrický proud je elektrický odpor supravodiče nulový. To se prokázalo na experimentu, kdy se v uzavřeném supravodiči indukoval elektrický proud, který v něm bez útlumu protékal 2,5 roku (experiment byl přerušen stávkou dělníků rozvážejících kryogenní kapaliny).
Supravodiče ve vysokofrekvenčním poli
Přísně vzato, tvrzení, že odpor supravodičů je nulový, platí pouze pro stejnosměrný elektrický proud. Ve střídavém elektrickém poli je odpor supravodiče nenulový a roste s rostoucí frekvencí pole. Tento efekt, v řeči dvoutekutinového modelu supravodiče, se vysvětluje přítomností, spolu se supravodivým zlomkem elektronů, obyčejných elektronů, jejichž počet je však malý. Při umístění supravodiče do konstantního pole se toto pole uvnitř supravodiče stane nulovým, protože jinak by se supravodivé elektrony zrychlily do nekonečna, což je nemožné. V případě střídavého pole je však pole uvnitř supravodiče nenulové a urychluje i normální elektrony, s čímž souvisí jak konečný elektrický odpor, tak Jouleovy tepelné ztráty. Tento efekt je zvláště výrazný pro takové frekvence světla, pro které je kvantová energie h ν (\displaystyle h\nu ) postačující k přenosu supravodivého elektronu do skupiny normálních elektronů. Tato frekvence leží obvykle v infračervené oblasti (asi 10 11 Hz), proto se ve viditelné oblasti supravodiče prakticky neliší od běžných kovů.
Fázový přechod do supravodivého stavu
Teplotní rozsah přechodu do supravodivého stavu u čistých vzorků nepřesahuje tisíciny Kelvina a proto určitá hodnota dává smysl T s- teplota přechodu do supravodivého stavu. Tato veličina se nazývá kritická teplota přechodu. Šířka přechodového intervalu závisí na heterogenitě kovu, především na přítomnosti nečistot a vnitřních pnutí. Aktuální známé teploty T s se liší od 0,0005 K pro hořčík (Mg) do 23,2 K pro intermetalickou sloučeninu niobu a germania (Nb 3 Ge, ve filmu) a 39 K pro borid hořečnatý ( 2) pro nízkoteplotní supravodiče ( T s pod 77 K, bod varu kapalného dusíku), na asi 135 K pro vysokoteplotní supravodiče obsahující rtuť.
V současnosti má fáze HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) nejvyšší známou hodnotu kritické teploty - 135 K a při vnějším tlaku 350 tisíc atmosfér se teplota přechodu zvyšuje na 164 K, což je pouze o 19 K nižší než minimální teplota zaznamenaná za přirozených podmínek na povrchu Země. Supravodiče tak ve svém vývoji přešly od kovové rtuti (4,15 K) k vysokoteplotním supravodičům obsahujícím rtuť (164 K). V roce 2000 se ukázalo, že mírná fluorace výše uvedené rtuťové keramiky umožňuje zvýšit kritickou teplotu za normálního tlaku na 138 K.
Přechod látky do supravodivého stavu je doprovázen změnou jejích tepelných vlastností. Tato změna však závisí na typu dotyčných supravodičů. Tedy pro supravodiče typu I v nepřítomnosti magnetického pole při teplotě přechodu T c teplo přechodu (absorpce nebo uvolnění) jde k nule, a proto trpí skokem v tepelné kapacitě, který je charakteristický pro fázový přechod typu ΙΙ. Tato teplotní závislost tepelné kapacity elektronického subsystému supravodiče ukazuje na přítomnost energetické mezery v distribuci elektronů mezi základním stavem supravodiče a úrovní elementárních excitací. Když je přechod ze supravodivého stavu do normálního stavu proveden změnou aplikovaného magnetického pole, pak musí dojít k absorpci tepla (např. pokud je vzorek tepelně izolován, pak jeho teplota klesá). A to odpovídá fázovému přechodu 1. řádu. U supravodičů typu II bude přechod ze supravodivého do normálního stavu za jakýchkoli podmínek fázovým přechodem typu II.
Meissnerův efekt
Ještě důležitější vlastností supravodiče než nulový elektrický odpor je tzv. Meissnerův jev, při kterém dochází k vytěsnění konstantního magnetického pole ze supravodiče. Z tohoto experimentálního pozorování vyplývá, že uvnitř supravodiče existují trvalé proudy, které vytvářejí vnitřní magnetické pole, které je opačné k vnějšímu aplikovanému magnetickému poli a kompenzuje jej.
Izotopový efekt
Izotopový efekt pro supravodiče je to teplota T s jsou nepřímo úměrné odmocninám atomových hmotností izotopů téhož supravodivého prvku. V důsledku toho se monoizotopové přípravky poněkud liší v kritických teplotách od přírodní směsi a od sebe navzájem.
Londýnský moment
Rotující supravodič generuje magnetické pole přesně zarovnané s osou rotace, výsledný magnetický moment se nazývá „londýnský moment“. Byl použit zejména ve vědecké družici Gravity Probe B, kde byla měřena magnetická pole čtyř supravodivých gyroskopů k určení jejich rotačních os. Vzhledem k tomu, že rotory gyroskopů byly téměř dokonale hladké koule, bylo použití londýnského momentu jedním z mála způsobů, jak určit jejich osu rotace.
Londýnský gravitomagnetický moment
Rotující a zároveň zrychlující, tedy zvyšující se frekvence otáček, prstenec supravodiče generuje gravitační pole. Experimenty související s londýnským gravitomagnetickým momentem provedli Martin Tajmar z rakouské společnosti ARC Seibersdorf Research a Clovis de Matos z Evropské kosmické agentury (ESA) v roce 2006. Experimentátoři poprvé změřili gravitomagnetické pole uměle vytvořené tímto způsobem. Tajmar a de Matos se domnívají, že tento efekt vysvětluje záhadu rozdílu mezi hmotností Cooperových párů dříve měřených s vysokou přesností (jedná se o elektrony, které poskytují vodivost v supravodiči) a stejnou hmotností získanou na papíře - podle výpočtů kvantové teorie .
Výzkumníci nazvali experimentálně objevený gravitační efekt „Gravitomagnetický londýnský moment“, analogicky s podobným magnetickým efektem: vznik magnetického pole během rotace supravodiče, nazývaného „londýnský moment“.
Takto způsobené pole bylo 100 milionkrát slabší než gravitační pole Země. A ačkoli tento efekt předpověděla Obecná teorie relativity, ukázalo se, že tato síla pole je o 20 řádů silnější než vypočítaná hodnota.
Teoretické vysvětlení jevu supravodivosti
Zcela uspokojivá mikroskopická teorie supravodivosti v současnosti chybí.
Již v relativně rané fázi studia supravodivosti, alespoň po vytvoření Ginzburg-Landauovy teorie, se ukázalo, že supravodivost je důsledkem sjednocení makroskopického počtu vodivostních elektronů do jediného kvantově mechanického stavu. Zvláštností elektronů vázaných v takovém souboru je, že si nemohou vyměňovat energii s mřížkou v malých částech, menší než je jejich vazebná energie v souboru. To znamená, že když se elektrony pohybují v krystalové mřížce, energie elektronů se nemění a látka se chová jako supravodič s nulovým odporem. Kvantově mechanická analýza ukazuje, že v tomto případě nedochází k rozptylu elektronových vln tepelnými vibracemi mřížky nebo nečistotami. A to znamená absenci elektrického odporu. Taková kombinace částic je v souboru fermionů nemožná. Je charakteristický pro soubor identických bosonů. Skutečnost, že elektrony v supravodičích jsou spojeny do bosonických párů, vyplývá z experimentů měřících velikost kvanta magnetického toku, které je „zamrzlé“ v dutých supravodivých válcích. Proto již v polovině 20. století bylo hlavním úkolem vytvoření teorie supravodivosti vývoj mechanismu pro párování elektronů. První teorií, která tvrdila, že poskytuje mikroskopické vysvětlení příčin supravodivosti, byla teorie Bardeen - Cooper - Schrieffer, kterou vytvořili v 50. letech 20. století. Tato teorie získala všeobecné uznání pod názvem BCS a v roce 1972 byla oceněna Nobelovou cenou. Při tvorbě své teorie autoři vycházeli z izotopového efektu, tedy z vlivu hmotnosti izotopu na kritickou teplotu supravodiče. Věřilo se, že jeho existence přímo ukazuje na vznik supravodivého stavu v důsledku činnosti fononového mechanismu.
Teorie BCS ponechala některé otázky nezodpovězené. Na jeho základě se ukázalo jako nemožné vyřešit hlavní problém – vysvětlit, proč mají konkrétní supravodiče tu či onu kritickou teplotu. Další experimenty s izotopovými substitucemi navíc ukázaly, že v důsledku anharmonicity kmitání iontů v kovech s nulovým bodem dochází k přímému vlivu hmoty iontů na interiontové vzdálenosti v mřížce, a tedy přímo na Fermiho energii kov. Proto se ukázalo, že existence izotopového jevu není důkazem fononového mechanismu, jako jediného možného zodpovědného za párování elektronů a výskyt supravodivosti. Nespokojenost s teorií BCS v pozdějších letech vedla k pokusům vytvořit další modely, jako je model rotace fluktuace a model bipolaron. Ačkoli však zvažovali různé mechanismy spojování elektronů do párů, tento vývoj také nevedl k pokroku v pochopení fenoménu supravodivosti.
Hlavním problémem teorie BCS je existence , které nelze touto teorií popsat.
Aplikace supravodivosti
Významného pokroku bylo dosaženo při získávání vysokoteplotní supravodivosti. Na bázi kovokeramiky, například složení YBa 2 Cu 3 O x , byly získány látky, pro které je teplota T c přechodu do supravodivého stavu přesahuje 77 K (teplota zkapalňování dusíku). Bohužel téměř všechny vysokoteplotní supravodiče nejsou technologicky vyspělé (křehké, nemají stabilní vlastnosti atd.), v důsledku čehož se v technice stále používají převážně supravodiče na bázi niobových slitin.
Fenomén supravodivosti se používá k vytváření silných magnetických polí (například v cyklotronech), protože při průchodu silných proudů supravodičem nedochází k tepelným ztrátám, které vytvářejí silná magnetická pole. Avšak vzhledem k tomu, že magnetické pole ničí stav supravodivosti, využívají se k získání silných magnetických polí tzv. magnetická pole. Supravodiče typu II, u kterých je možná koexistence supravodivosti a magnetického pole. V takových supravodičech způsobuje magnetické pole vzhled tenkých vláken normálního kovu pronikajícího vzorkem, z nichž každé nese kvantum magnetického toku (Abrikosovovy víry). Látka mezi vlákny zůstává supravodivá. Protože v supravodiči typu II neexistuje úplný Meissnerův efekt, existuje supravodivost až do mnohem vyšších hodnot magnetického pole. H C 2. V technologii se používají hlavně tyto supravodiče:
V důležitých aplikacích se nacházejí miniaturní supravodivá prstencová zařízení - SQUIDS, jejichž činnost je založena na spojení změn magnetického toku a napětí. Jsou součástí ultracitlivých magnetometrů, které měří magnetické pole Země, a používají se také v medicíně k získávání magnetogramů různých orgánů.
Supravodiče se také používají v maglevech.
U kryotronů se využívá jevu závislosti teploty přechodu do supravodivého stavu na velikosti magnetického pole - řízené odpory.
viz také
Poznámky
- Objev supravodivosti – kapitola z knihy J. Trigga „Fyzika 20. století: Klíčové experimenty“
- Dirk van Delft a Peter Kes.
Odpor vodiče závisí na teplotě. Když se kovy zahřejí, odpor se zvýší, když se kovy ochladí, odpor se sníží. Když se teplota vodiče blíží nule, může se objevit jev zvaný supravodivost.
Historie objevů
Objev supravodivosti patří holandskému fyzikovi H. Kamerlingh-Onnesovi. Chladil rtuť v kapalném heliu. Nejprve odpor postupně klesal a poté při dosažení určité teploty odpor prudce klesl na nulu. Tento jev se nazýval supravodivost.
Podstatu jevu supravodivosti se jim ale podařilo vysvětlit až v roce 1957. Je podána na základě kvantové teorie. S obrovským zjednodušením lze supravodivost vysvětlit následovně: elektrony se spojují v řadách a pohybují se bez kolize s krystalovou mřížkou. Tento pohyb se vůbec nepodobá běžnému chaotickému tepelnému pohybu.
V roce 1986 byla kromě nízkoteplotní supravodivosti objevena i vysokoteplotní supravodivost. Vytvořili komplexní sloučeniny, které přecházejí do stavu supravodivosti při teplotě 100 K.
Vlastnosti supravodičů
- Kritická teplota je teplota, při které látka přechází do supravodivého stavu. Fenomén supravodivosti se vyskytuje v kovech a jejich slitinách při velmi nízkých teplotách(přibližně 25 K a méně). Existují referenční tabulky, které udávají kritické teploty určitých látek.
- Protože v supravodivosti neexistuje žádný odpor, nedochází k vytváření tepla když elektrický proud prochází vodičem. Tato vlastnost supravodičů je široce využívána.
- Pro každý supravodič existuje kritická hodnota proudu, kterého lze dosáhnout ve vodiči bez narušení jeho supravodivosti. To se děje proto, že při průchodu proudu se kolem vodiče vytvoří magnetické pole. A magnetické pole ničí supravodivý stav. Proto nelze použít supravodiče k vytvoření libovolně silného magnetického pole.
- Když energie prochází supravodičem není to žádná ztráta. Jednou z oblastí výzkumu moderních fyziků je tvorba supravodivých materiálů při pokojových teplotách. Pokud se tento problém podaří vyřešit, bude vyřešen jeden z nejdůležitějších technických problémů - přenos energie dráty beze ztrát.
Vyhlídky
Vysokoteplotní supravodivost je velmi perspektivní oblastí výzkumu, která by následně mohla vést k nové technické revoluci v elektronice, elektrotechnice a radiotechnice. Podle nejnovějších údajů v této oblasti je maximální kritická teplota supravodivosti, které bylo dosaženo, 166K.
Postupně se přibližujeme k objevu materiálů, které budou supravodivé při pokojových teplotách. To bude průlom ve světě technologií. Elektřinu lze přenášet na libovolnou vzdálenost beze ztrát.