Isi artikel
SUPERKONDUKTIFITAS, suatu keadaan di mana beberapa zat padat penghantar listrik berubah pada suhu rendah. Superkonduktivitas telah ditemukan pada banyak logam dan paduan serta pada semakin banyak bahan semikonduktor dan keramik. Dua fenomena paling mengejutkan yang diamati pada materi superkonduktor adalah hilangnya hambatan listrik pada superkonduktor dan keluarnya fluks magnet ( cm. di bawah) dari volumenya. Efek pertama ditafsirkan oleh para peneliti awal sebagai bukti konduktivitas listrik yang sangat besar, oleh karena itu dinamakan superkonduktivitas.
Hilangnya hambatan listrik dapat ditunjukkan dengan menggairahkan arus listrik pada cincin bahan superkonduktor. Jika cincin didinginkan hingga suhu yang diperlukan, maka arus dalam cincin akan tetap ada tanpa batas waktu bahkan setelah sumber arus yang menyebabkannya dihilangkan. Fluks magnet adalah sekumpulan garis gaya magnet yang membentuk medan magnet. Ketika kekuatan medan berada di bawah nilai kritis tertentu, fluks didorong keluar dari superkonduktor, yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1.
Benda padat yang menghantarkan listrik adalah kisi kristal tempat elektron dapat bergerak. Kisi dibentuk oleh atom-atom yang tersusun dalam urutan geometris yang benar, dan elektron yang bergerak adalah elektron dari kulit terluar atom. Karena aliran elektron merupakan arus listrik, maka elektron tersebut disebut elektron konduksi. Jika konduktor berada dalam keadaan normal (non-superkonduktor), maka setiap elektron bergerak secara independen satu sama lain. Kemampuan setiap elektron untuk bergerak dan mempertahankan arus listrik dibatasi oleh tumbukannya dengan kisi serta atom pengotor dalam padatan. Agar arus elektron ada dalam suatu konduktor, suatu tegangan harus diberikan padanya; ini berarti konduktor mempunyai hambatan listrik. Jika konduktor berada dalam keadaan superkonduktor, maka elektron konduksi bergabung menjadi satu keadaan yang tertata secara makroskopis, di mana mereka berperilaku sebagai “kolektif”; Seluruh “tim” juga bereaksi terhadap pengaruh eksternal. Tabrakan antara elektron dan kisi menjadi tidak mungkin, dan arus, setelah dihasilkan, akan ada tanpa adanya sumber arus eksternal (tegangan). Keadaan superkonduktor terjadi secara tiba-tiba pada suhu yang disebut suhu transisi. Di atas suhu ini, logam atau semikonduktor berada dalam keadaan normal, dan di bawahnya - dalam keadaan superkonduktor. Suhu transisi suatu zat ditentukan oleh hubungan antara dua “kekuatan yang berlawanan”: yang satu cenderung mengatur elektron, dan yang lain cenderung menghancurkan tatanan ini. Misalnya, kecenderungan keteraturan pada logam seperti tembaga, emas, dan perak sangat kecil sehingga unsur-unsur ini tidak menjadi superkonduktor bahkan pada suhu hanya sepersejuta kelvin di atas nol mutlak. Nol mutlak (0 K, –273,16° C) adalah batas suhu bawah suatu zat kehilangan seluruh panasnya. Logam dan paduan lainnya memiliki suhu transisi berkisar antara 0,000325 hingga 23,2 K ( lihat tabel). Pada tahun 1986, superkonduktor diciptakan dari bahan keramik dengan suhu transisi yang sangat tinggi. Jadi, untuk sampel keramik YBa 2 Cu 3 O 7 suhu transisi melebihi 90 K.
Fisikawan menyebut keadaan superkonduktor sebagai keadaan mekanika kuantum makroskopis. Mekanika kuantum yang biasanya digunakan untuk menggambarkan perilaku materi pada skala mikroskopis, di sini diterapkan pada skala makroskopis. Justru fakta bahwa mekanika kuantum memungkinkan kita menjelaskan sifat makroskopis materi yang membuat superkonduktivitas menjadi fenomena yang menarik.
Pembukaan.
Banyak informasi tentang logam berasal dari hubungan antara tegangan eksternal dan arus yang ditimbulkannya. Secara umum hubungan ini berbentuk kesetaraan V/SAYA = R, Di mana V- tegangan, SAYA– saat ini, dan R- hambatan listrik. Menurut hukum ini (hukum Ohm), arus listrik sebanding dengan tegangan pada nilai berapa pun R, yang merupakan koefisien proporsionalitas.
Resistansi biasanya tidak bergantung pada arus, namun bergantung pada suhu. Setelah memperoleh helium cair pada tahun 1908, G. Kamerlingh-Onnes dari Universitas Leiden (Belanda) mulai mengukur ketahanan merkuri murni yang direndam dalam helium cair dan menemukan (1911) bahwa pada suhu helium cair, ketahanan merkuri turun menjadi nol. Belakangan diketahui bahwa banyak logam dan paduan lain juga menjadi superkonduktor pada suhu rendah.
Penemuan penting berikutnya dilakukan pada tahun 1933 oleh fisikawan Jerman W. Meissner dan kolaboratornya R. Ochsenfeld. Mereka menemukan bahwa jika sampel silinder ditempatkan dalam medan magnet memanjang dan didinginkan di bawah suhu transisi, fluks magnet akan dikeluarkan sepenuhnya. Efek Meissner, demikian sebutan untuk fenomena ini, merupakan penemuan penting karena menjelaskan kepada fisikawan bahwa superkonduktivitas adalah fenomena mekanika kuantum. Jika superkonduktivitas hanya berupa hilangnya hambatan listrik, maka hal ini dapat dijelaskan dengan hukum fisika klasik.
SIFAT-SIFAT SUPERKONDUKTOR
Dalam literatur fisika, zat atau bahan yang dalam kondisi berbeda dapat berada dalam keadaan superkonduktor atau non-superkonduktor sering disebut superkonduktor. Logam, paduan, atau semikonduktor sederhana (terdiri dari atom yang identik) yang sama dapat menjadi superkonduktor dalam rentang suhu atau medan magnet eksternal tertentu; pada suhu atau bidang dengan nilai kritis yang lebih tinggi, itu adalah konduktor biasa (biasanya disebut normal).
Setelah ditemukannya efek Meissner, sejumlah besar percobaan dilakukan dengan superkonduktor. Di antara properti yang dipelajari adalah:
1) Medan magnet kritis - nilai medan di atas mana superkonduktor berada dalam keadaan normal. Medan kritis biasanya berkisar dari beberapa puluh gauss hingga beberapa ratus ribu gauss, bergantung pada superkonduktor dan keadaan metalofisikanya. Medan kritis superkonduktor tertentu bervariasi terhadap suhu, menurun seiring kenaikan suhu. Pada suhu transisi, medan kritisnya nol, dan pada nol mutlak, medan kritisnya maksimum (Gbr. 2).
2) Arus kritis - arus searah maksimum yang dapat ditahan oleh superkonduktor tanpa kehilangan keadaan superkonduktor. Seperti medan magnet kritis, arus kritis sangat bergantung pada suhu, dan semakin berkurang seiring meningkatnya suhu.
3) Kedalaman penetrasi - jarak penetrasi fluks magnet ke dalam superkonduktor. Kedalaman penetrasi ternyata merupakan fungsi suhu dan bervariasi pada bahan yang berbeda: dari 3H 10 –6 hingga 2H 10 –5 cm. Fluks magnet didorong keluar dari superkonduktor oleh arus yang bersirkulasi di lapisan permukaan, yang ketebalannya kira-kira sama dengan kedalaman penetrasi.
Untuk memahami mengapa fluks magnet didorong keluar, mis. Apa yang menyebabkan efek Meissner, perlu kita ingat bahwa semua sistem fisik cenderung pada keadaan dengan energi minimal. Medan magnet mempunyai sejumlah energi. Energi superkonduktor meningkat dalam medan magnet. Namun berkurang lagi karena timbul arus di lapisan permukaan superkonduktor. Arus ini menciptakan medan magnet yang mengimbangi medan yang diterapkan dari luar. Energi superkonduktor lebih tinggi dibandingkan tanpa adanya medan magnet luar, tetapi lebih rendah dibandingkan jika medan menembus ke dalamnya.
Pengusiran fluks magnet secara menyeluruh tidak memberikan manfaat energi bagi semua superkonduktor. Pada beberapa material, keadaan energi minimum dalam medan magnet dicapai jika beberapa garis fluks magnet menembus sebagian material, membentuk mosaik daerah superkonduktor yang tidak memiliki medan magnet dan daerah normal yang terdapat medan magnet.
4) Panjang koherensi - jarak elektron berinteraksi satu sama lain, menciptakan keadaan superkonduktor. Elektron dalam panjang koherensi bergerak secara serempak - secara koheren (seolah-olah “selangkah”). Panjang koherensi untuk superkonduktor yang berbeda bervariasi dari 5×10–7 hingga 10–4 cm. Keberadaan panjang koherensi yang besar (jauh lebih besar dari dimensi atom sekitar 10–8 cm) dikaitkan dengan sifat superkonduktor yang tidak biasa.
5) Kapasitas kalor jenis - jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g suatu zat sebesar 1 K. Kapasitas kalor jenis superkonduktor meningkat tajam mendekati suhu transisi ke keadaan superkonduktor, dan menurun cukup cepat seiring dengan penurunan suhu. Jadi, di daerah transisi, untuk meningkatkan suhu suatu zat dalam keadaan superkonduktor, diperlukan lebih banyak panas daripada dalam keadaan normal, dan pada suhu yang sangat rendah, yang terjadi adalah sebaliknya. Karena kapasitas panas spesifik ditentukan terutama oleh elektron konduksi, fenomena ini menunjukkan bahwa keadaan elektron sedang berubah.
TEORI SUPERKONDUKTIFITAS
Sebelum tahun 1957, sebagian besar upaya untuk menjelaskan data eksperimen bersifat fenomenologis: didasarkan pada asumsi yang dibuat-buat atau modifikasi longgar terhadap teori yang ada dan bertujuan untuk mencapai kesepakatan dengan eksperimen. Contoh upaya tipe pertama adalah model dua fluida, yang mendalilkan bahwa pada suhu transisi, beberapa elektron konduksi memperoleh kemampuan untuk bergerak tanpa mengalami hambatan. Model ini menjelaskan ketergantungan suhu medan kritis, arus kritis, dan kedalaman penetrasi, tetapi tidak memberikan pemahaman fisik apa pun terhadap fenomena itu sendiri, karena tidak menjelaskan superkonduktivitas parsial tersebut.
Kemajuan dicapai pada tahun 1935, ketika fisikawan teoretis, saudara F. dan G. London, mengusulkan untuk mempertimbangkan superkonduktivitas sebagai efek kuantum makroskopis. (Sebelumnya, hanya efek kuantum yang diketahui yang diamati pada skala atom - pada urutan 10 -8 cm.) Bangsa London memodifikasi persamaan klasik elektromagnetisme sedemikian rupa sehingga menghasilkan efek Meissner, konduktivitas tak terbatas, dan penetrasi terbatas kedalaman. Pada awal tahun 1950-an, A. Pippard dari Universitas Cambridge menunjukkan bahwa keadaan kuantum tersebut sebenarnya bersifat makroskopis, mencakup jarak hingga 10 –4 cm, yaitu. 10.000 kali jari-jari atom.
Meskipun upaya ini penting, upaya ini tidak menyentuh inti interaksi mendasar yang mendorong superkonduktivitas. Beberapa indikasi sifat interaksi ini muncul pada awal tahun 1950-an, ketika ditemukan bahwa suhu transisi superkonduktor logam yang terbuat dari isotop berbeda dari unsur yang sama tidaklah sama. Ternyata semakin tinggi massa atom, semakin rendah suhu transisinya. (Isotop dari unsur yang sama memiliki jumlah elektron yang sama, tetapi massa inti berbeda.) Efek isotop menunjukkan bahwa suhu transisi bergantung pada massa atom kisi kristal dan, oleh karena itu, superkonduktivitas bukanlah efek elektronik murni.
Elektron dalam logam.
Penemuan efek isotop menunjukkan bahwa superkonduktivitas kemungkinan besar disebabkan oleh interaksi antara elektron konduksi dan atom dalam kisi kristal. Untuk mengetahui bagaimana hal ini menyebabkan superkonduktivitas, kita perlu melihat struktur logamnya. Seperti semua padatan kristal, logam terdiri dari atom bermuatan positif yang tersusun dalam ruang dalam urutan yang ketat. Urutan penempatan atom dapat dibandingkan dengan pola berulang pada kertas dinding, namun pola tersebut harus berulang dalam tiga dimensi. Elektron konduksi bergerak di antara atom-atom kristal dengan kecepatan berkisar antara 0,01 hingga 0,001 kecepatan cahaya; gerakannya adalah arus listrik.
Teori Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS).
Pada tahun 1956 L. Cooper dari Universitas St. Illinois menunjukkan bahwa jika elektron tertarik satu sama lain, tidak peduli seberapa lemah daya tariknya, mereka harus “berkondensasi” menjadi keadaan terikat. Dapat diasumsikan bahwa keadaan terikat ini adalah keadaan superkonduktor yang dicari. Seperti yang dibayangkan Cooper, tarik-menarik seperti itu mungkin terjadi antara dua elektron dan akan mengarah pada pembentukan pasangan terikat (disebut pasangan Cooper) yang bergerak dalam kisi kristal.
Namun pada tahun 1950, G. Froelich mengemukakan bahwa elektron dapat tertarik satu sama lain karena interaksi dengan atom kisi. Mekanisme tarik-menarik ini disebut interaksi elektron-fonon; itu adalah sebagai berikut. Sebuah elektron yang bergerak dalam kisi kristal tampaknya mendistorsinya. Hal ini disebabkan oleh interaksi antara elektron bermuatan negatif dan atom kisi bermuatan positif. Sebuah elektron yang bergerak melalui kisi “menyatukan” atom-atomnya. Elektron kedua kemudian ditarik ke dalam "daerah terbatas" di bawah pengaruh muatan positif yang meningkat. Energi elektron pertama, yang dikeluarkan untuk “deformasi kisi”, ditransfer tanpa kehilangan ke anggota kedua dari pasangan Cooper. Pasangan seperti itu bergerak sepanjang kisi, bertukar energi melalui atom-atom dalam kisi, tetapi tanpa kehilangan energinya secara keseluruhan (Gbr. 3).
Interaksi ini agak mirip dengan perilaku dua bola berat pada membran karet. Ketika satu bola menggelinding, ia membengkokkan membran sehingga bola kedua mengikuti jejaknya. Elektron, yang bermuatan sama, tidak seperti bola, saling tolak menolak. Namun, tolakan timbal balik ini kuat hanya ketika elektron-elektron tersebut sangat dekat satu sama lain, dan dengan cepat berkurang ketika elektron-elektron tersebut menjauh. Dalam interaksi yang melibatkan kisi, atau interaksi elektron-fonon, jarak elektron satu sama lain cukup jauh (pada jarak orde 5×10 –7 –10 –4 cm). Pada jarak seperti itu, tolakan elektron lebih kecil dibandingkan interaksi elektron-fonon, sehingga elektron tertarik satu sama lain secara efektif. (Fonon adalah kuantum energi getaran kisi kristal.)
Sampai saat ini, kita hanya mempertimbangkan satu pasangan Cooper, padahal kenyataannya terdapat sekitar 10 20 pasangan Cooper dalam 1 cm3 materi. Sangat mudah untuk membayangkan bahwa distorsi kisi yang diciptakan oleh salah satu pasangan Cooper dapat mengganggu daya tarik pasangan lainnya. Pada tahun 1957, J. Bardeen, L. Cooper dan J. Schrieffer mengajukan apa yang disebut teori BCS (Bardeen – Cooper – Schrieffer), dan mereka dianugerahi Hadiah Nobel Fisika tahun 1972. Menurut teori ini, pasangan-pasangan membentuk keadaan koheren yang semuanya mempunyai momentum yang sama. Elektron koheren ini dikatakan berada dalam keadaan kuantum tunggal; mereka membentuk apa yang disebut cairan kuantum, atau superfluida. Koherensi elektron dalam skala besar ini merupakan demonstrasi makroskopis prinsip kuantum yang luar biasa.
Teori BCS menjelaskan banyak sifat superkonduktor yang telah kita bahas. Elektron dalam superkonduktor masuk ke keadaan kolektif sedemikian rupa sehingga energi potensialnya menjadi minimal. Bergerak bersama, elektron tertarik satu sama lain melalui mekanisme interaksi elektron-fonon, dan energi potensial sistem ternyata lebih kecil dibandingkan dengan dua elektron yang tidak saling tarik menarik. Superkonduktor dalam keadaan kolektif mampu melawan efek peningkatan energi dari arus atau medan magnet; Ini menyiratkan ketergantungan suhu dari arus kritis dan medan. Di atas suhu transisi, elektron memiliki terlalu banyak energi panas dan menjadi “tereksitasi”, yaitu. transisi dari keadaan superkonduktor berenergi rendah ke keadaan normal dengan energi lebih tinggi.
Efek isotop dijelaskan oleh fakta bahwa pada isotop yang lebih ringan, kisi “terganggu” dengan energi yang lebih sedikit. Kisi isotop yang lebih berat lebih sulit diubah bentuknya, dan oleh karena itu transisi ke superkonduktivitas terjadi pada suhu yang lebih rendah. Teori BCS juga menjelaskan mengapa konduktor yang baik seperti tembaga dan emas bukanlah superkonduktor. Elektron konduksi dalam zat ini dengan mudah melewati kisi atom, hampir tanpa berinteraksi dengannya. Hal ini menjadikan bahan tersebut sebagai konduktor listrik yang baik karena bahan tersebut kehilangan sedikit energi akibat hamburan kisi. Untuk mencapai keadaan superkonduktor, diperlukan interaksi yang kuat antara atom kisi dan elektron. Oleh karena itu, penghantar listrik yang sangat baik biasanya bukanlah superkonduktor.
Superkonduktor jenis 1 dan 2.
Berdasarkan perilakunya dalam medan magnet, superkonduktor dibedakan menjadi superkonduktor tipe 1 dan tipe 2. Superkonduktor tipe 1 menunjukkan sifat ideal yang telah dibahas. Dengan adanya medan magnet, arus muncul di lapisan permukaan superkonduktor, yang sepenuhnya mengkompensasi medan eksternal pada ketebalan sampel. Jika superkonduktor berbentuk silinder panjang dan berada dalam medan yang sejajar dengan sumbunya, maka kedalaman penetrasi dapat berkisar 3×10–6 cm. Ketika medan kritis tercapai, superkonduktivitas menghilang dan medan tersebut sepenuhnya menembus ke dalam materi. Bidang kritis untuk superkonduktor tipe 1 biasanya berkisar antara 100 hingga 800 Gas. Meskipun superkonduktor tipe 1 memiliki kedalaman penetrasi yang dangkal, mereka memiliki panjang koherensi yang besar - sekitar 10 -4 cm.
Superkonduktor tipe 2 dicirikan oleh kedalaman penetrasi yang besar (sekitar 2×10–5 cm) dan panjang koherensi yang pendek (5×10–7 cm). Dengan adanya medan magnet yang lemah (kurang dari 500 Gauss), semua fluks magnet terdorong keluar dari superkonduktor tipe 2. Tapi lebih tinggi N s 1 – medan kritis pertama – fluks magnet menembus sampel, meskipun pada tingkat yang lebih rendah dibandingkan keadaan normal. Penetrasi parsial ini berlanjut hingga medan kritis kedua - N s 2, yang bisa melebihi 100 kG. Dengan ladang yang luas N s 2, aliran menembus sepenuhnya dan zat menjadi normal. Karakteristik berbagai superkonduktor disajikan pada tabel.
| SUHU DAN BIDANG KRITIS | |||
| Bahan | Suhu kritis, K | Bidang kritis (pada 0 K), G | |
| Superkonduktor tipe 1 | |||
| Rhodium | 0,000325 | 0,049 | |
| titanium | 0,39 | 60 | |
| Kadmium | 0,52 | 28 | |
| Seng | 0,85 | 55 | |
| galium | 1,08 | 59 | |
| Talium | 2,37 | 180 | |
| India | 3,41 | 280 | |
| Timah | 3,72 | 305 | |
| Air raksa | 4,15 | 411 | |
| Memimpin | 7,19 | 803 | |
| Superkonduktor jenis ke-2 | Hc 1 | Hc 2 | |
| Niobium | 9,25 | 1735 | 4040 |
| Nb3Sn | 18,1 | – | 220 000 |
| Nb3Ge | 23,2 | – | 400 000 |
| Pb 1 Mo 5.1 S 6 | 14,4 | – | 600 000 |
| Yba 2 Cu 3 O 7 | 90–100 | 1000* | 1 000 000* |
| * Diekstrapolasi ke nol mutlak. | |||
Efek Josephson.
Pada tahun 1962, B. Josephson, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Cambridge, memikirkan tentang apa yang akan terjadi jika dua superkonduktor didekatkan pada jarak beberapa angstrom, menyarankan agar pasangan Cooper, karena efek “tunneling”, berpindah dari satu superkonduktor ke superkonduktor lainnya pada tegangan nol.
Dua dampak luar biasa diperkirakan terjadi. Pertama, arus superkonduktor (non-dissipatif) dapat mengalir melalui kontak superkonduktor terowongan (persimpangan yang terdiri dari dua superkonduktor yang dipisahkan oleh lapisan dielektrik). Nilai kritis arus ini bergantung pada medan magnet luar. Kedua, jika arus yang melalui kontak melebihi arus persimpangan kritis, maka kontak tersebut menjadi sumber radiasi elektromagnetik frekuensi tinggi. Efek pertama disebut efek Josephson stasioner, yang kedua disebut efek non-stasioner. Kedua efek tersebut diamati dengan jelas secara eksperimental. Secara khusus, osilasi arus superkonduktor maksimum yang melalui persimpangan diamati dengan meningkatnya medan magnet. Jika arus yang ditentukan oleh sumber eksternal melebihi nilai kritis, maka tegangan muncul di sambungan V, secara berkala tergantung waktu. Frekuensi osilasi tegangan tergantung pada seberapa besar arus yang melalui kontak melebihi nilai kritisnya.
Tentu saja, tidak mungkin mendekatkan dua superkonduktor pada jarak beberapa angstrom. Oleh karena itu, dalam percobaan, lapisan tipis bahan superkonduktor, seperti aluminium, disemprotkan ke substrat, kemudian dioksidasi dari permukaan hingga kedalaman beberapa angstrom, dan lapisan aluminium lainnya disemprotkan di atasnya. Ingatlah bahwa aluminium oksida adalah dielektrik. “Sandwich” semacam itu setara dengan dua superkonduktor yang terletak pada jarak beberapa angstrom satu sama lain.
Efek Josephson disebabkan oleh hubungan fasa antar elektron dalam keadaan superkonduktor. Telah dikatakan di atas bahwa inti dari keadaan superkonduktor adalah pergerakan koheren pasangan Cooper melalui kisi atom. Koherensi pasangan Cooper dalam superkonduktor ditentukan oleh fakta bahwa pasangan elektron bergerak “dalam fase.” Pasangan Cooper dari dua superkonduktor berbeda bergerak “keluar fase.” Dengan demikian, setiap prajurit dalam satu kompi berbaris dapat mengimbangi setiap prajurit lain dalam kompinya, tetapi tidak sejajar dengan prajurit dari kompi lainnya. Jika dua superkonduktor didekatkan, pasangan Cooper dapat menembus celah di antara keduanya. Selama penerowongan, fase pasangan Cooper berubah. Jika perubahan sedemikian rupa sehingga pasangan Cooper mulai mengimbangi pasangan di superkonduktor kedua, maka penerowongan dapat dilakukan. Inilah yang terjadi pada efek stasioner Josephson. Besarnya medan magnet menentukan pergeseran fasa yang diperoleh pasangan terowongan.
Efek Josephson transien terjadi ketika arus yang melalui persimpangan melebihi nilai kritis untuk efek Josephson keadaan tunak. Tegangan timbul antara dua superkonduktor, yang menyebabkan fase dalam dua superkonduktor berubah seiring waktu. Hal ini pada gilirannya menyebabkan arus terowongan berosilasi (dengan perubahan arahnya) sesuai dengan perubahan perbedaan fasa pada kedua superkonduktor.
APLIKASI
Dari tahun 1911 hingga 1986, banyak logam dan paduan superkonduktor diselidiki, tetapi suhu transisi tertinggi yang diukur adalah 23,2 K. Pendinginan hingga suhu ini memerlukan helium cair (4 He) yang mahal. Oleh karena itu, penerapan superkonduktivitas yang paling berhasil tetap pada tingkat eksperimen laboratorium, yang tidak memerlukan helium cair dalam jumlah besar.
Pada akhir tahun 1986, K. Müller (Swiss) dan J. Bednorz (Jerman), yang bekerja di laboratorium penelitian IBM di Zurich, menemukan bahwa konduktor keramik yang terbuat dari atom lantanum, barium, tembaga, dan oksigen memiliki suhu transisi ke suhu keadaan superkonduktor sebesar 35 K. Segera, kelompok penelitian di seluruh dunia memproduksi bahan keramik dengan suhu transisi 90 hingga 100 K, yang mampu menjadi superkonduktor yang tersisa (tipe 2, cm. lebih tinggi) di medan magnet hingga 200 kG.
Superkonduktor keramik sangat menjanjikan untuk aplikasi skala besar, terutama karena dapat dipelajari dan digunakan bila didinginkan dengan nitrogen cair yang relatif murah.
Aplikasi laboratorium.
Penerapan superkonduktivitas industri pertama adalah penciptaan magnet superkonduktor dengan medan kritis tinggi. Magnet superkonduktor yang terjangkau memungkinkan perolehan medan magnet di atas 100 kG pada pertengahan 1960-an, bahkan di laboratorium kecil. Sebelumnya, pembuatan medan seperti itu menggunakan elektromagnet konvensional memerlukan listrik dalam jumlah yang sangat besar untuk mempertahankan arus listrik pada belitan dan air dalam jumlah besar untuk mendinginkannya.
Penerapan praktis superkonduktivitas berikutnya berkaitan dengan teknologi perangkat elektronik sensitif. Sampel eksperimental perangkat dengan kontak Josephson dapat mendeteksi tegangan sekitar 10–15 W. Magnetometer yang mampu mendeteksi medan magnet dengan orde 10–9 Gauss digunakan dalam studi bahan magnetik, serta magnetokardiograf medis. Detektor variasi gravitasi yang sangat sensitif dapat digunakan di berbagai bidang geofisika.
Teknik superkonduktivitas dan khususnya kontak Josephson mempunyai dampak yang semakin besar terhadap metrologi. Menggunakan kontak Josephson, standar 1 V dibuat. Termometer primer juga dikembangkan untuk wilayah kriogenik, di mana transisi tajam pada zat tertentu digunakan untuk mendapatkan titik suhu referensi (konstan). Teknik baru ini digunakan dalam pembanding arus, pengukuran daya RF dan koefisien serapan, serta pengukuran frekuensi. Ini juga digunakan dalam penelitian mendasar, seperti mengukur muatan pecahan partikel atom dan menguji teori relativitas.
Superkonduktivitas akan banyak digunakan dalam teknologi komputer. Di sini, elemen superkonduktor dapat memberikan waktu peralihan yang sangat cepat, kehilangan daya yang dapat diabaikan saat menggunakan elemen film tipis, dan kepadatan pengepakan rangkaian volumetrik yang tinggi. Prototipe kontak Josephson film tipis sedang dikembangkan dalam sirkuit yang mengandung ratusan elemen logika dan memori.
Aplikasi industri.
Potensi aplikasi superkonduktivitas industri yang paling menarik melibatkan pembangkitan, transmisi dan penggunaan energi listrik. Misalnya, kabel superkonduktor berdiameter beberapa inci dapat mengalirkan listrik dalam jumlah yang sama dengan jaringan saluran transmisi listrik yang sangat besar, dengan kerugian yang sangat kecil atau tanpa kerugian sama sekali. Biaya isolasi dan pendinginan kriokonduktor harus diimbangi dengan efisiensi transfer energi. Dengan munculnya superkonduktor keramik yang didinginkan dengan nitrogen cair, transmisi daya menggunakan superkonduktor menjadi sangat menarik secara ekonomi.
Kemungkinan penerapan superkonduktor lainnya adalah pada generator arus kuat dan motor listrik kecil. Gulungan material superkonduktor dapat menciptakan medan magnet yang sangat besar pada generator dan motor listrik, menjadikannya jauh lebih bertenaga dibandingkan mesin konvensional. Prototipe telah lama dibuat, dan superkonduktor keramik dapat membuat mesin tersebut cukup ekonomis. Kemungkinan penggunaan magnet superkonduktor untuk menyimpan listrik, magnetohidrodinamika, dan untuk menghasilkan energi termonuklir juga sedang dipertimbangkan.
Para insinyur telah lama bertanya-tanya bagaimana medan magnet besar yang diciptakan oleh superkonduktor dapat digunakan pada kereta maglev (levitasi magnetik). Karena adanya gaya tolak-menolak antara magnet yang bergerak dan arus yang diinduksi dalam konduktor pemandu, kereta akan bergerak dengan lancar, tanpa kebisingan atau gesekan, dan akan mampu mencapai kecepatan yang sangat tinggi. Kereta maglev eksperimental di Jepang dan Jerman telah mencapai kecepatan mendekati 300 km/jam.
Pentingnya superkonduktivitas di dunia modern.
Hingga saat ini, lebih dari 500 unsur dan paduan murni yang memiliki sifat superkonduktivitas telah diketahui. Keuntungan utama superkonduktor adalah pengurangan radikal kehilangan listrik selama pembangkitan dan transmisi. Berdasarkan fenomena ini, dimungkinkan untuk mengurangi ukuran peralatan dan mesin pembangkit, membuat perangkat elektronik baru, dan mengembangkan elektromagnet berdaya tinggi untuk penelitian ilmiah dan industri.
Selain itu, penggunaan superkonduktivitas di pembangkit listrik serta sistem transmisi dan distribusi energi memungkinkan pengurangan jumlah bahan bakar yang dibakar tanpa mengurangi pembangkitan listrik, dan sebagai hasilnya, mengurangi persentase emisi berbahaya ke atmosfer.
Konsep superkonduktivitas
Superkonduktivitas- fenomena fisik yang diamati pada beberapa zat (superkonduktor) ketika didinginkan di bawah suhu kritis tertentu, yang arti fisiknya adalah mengubah hambatan listrik menjadi nol dan mendorong medan magnet keluar dari volume sampel (Gambar 1) .
Gambar 1 Fluks magnet menembus batang dalam keadaan normal (a), tetapi didorong keluar dari batang yang didinginkan hingga keadaan superkonduktor (b).
§ 2.2 Sejarah penemuan:
Dasar penemuan fenomena superkonduktivitas adalah pengembangan teknologi untuk mendinginkan material hingga suhu sangat rendah. Setelah memperoleh helium cair pada tahun 1908, G. Kamerlingh-Onnes dari Universitas Leiden (Belanda) mulai mengukur ketahanan merkuri murni yang direndam dalam helium cair dan menemukan (1911) bahwa pada suhu helium cair, ketahanan merkuri turun menjadi nol. Belakangan diketahui bahwa banyak logam dan paduan lain juga menjadi superkonduktor pada suhu rendah.
Penemuan penting berikutnya dilakukan pada tahun 1933 oleh fisikawan Jerman W. Meissner dan kolaboratornya R. Ochsenfeld. Mereka menemukan bahwa jika sampel silinder ditempatkan dalam medan magnet memanjang dan didinginkan di bawah suhu transisi, fluks magnet akan dikeluarkan sepenuhnya. Efek Meissner, demikian sebutan untuk fenomena ini, merupakan penemuan penting karena menjelaskan kepada fisikawan bahwa superkonduktivitas adalah fenomena mekanika kuantum. Jika superkonduktivitas hanya berupa hilangnya hambatan listrik, maka hal ini dapat dijelaskan dengan hukum fisika klasik.
§ 2.3 Inti dari superkonduktivitas dan efek Meisener:
Benda padat yang menghantarkan listrik adalah kisi kristal tempat elektron dapat bergerak. Kisi dibentuk oleh atom-atom yang tersusun dalam urutan geometris yang benar, dan elektron yang bergerak adalah elektron dari kulit terluar atom. Jika konduktor berada dalam keadaan normal (non-superkonduktor), maka setiap elektron bergerak secara independen satu sama lain. Kemampuan setiap elektron untuk bergerak dan mempertahankan arus listrik dibatasi oleh tumbukannya dengan kisi serta atom pengotor dalam padatan. Agar arus elektron ada dalam suatu konduktor, suatu tegangan harus diberikan padanya; ini berarti konduktor mempunyai hambatan listrik. Jika konduktor berada dalam keadaan superkonduktor, maka elektron-elektron bersatu menjadi satu keadaan yang tertata secara makroskopis, di mana mereka berperilaku sebagai “kolektif”; Seluruh “tim” juga bereaksi terhadap pengaruh eksternal. Tabrakan antara elektron dan kisi menjadi tidak mungkin, dan arus, setelah dihasilkan, akan ada tanpa adanya sumber arus eksternal (tegangan). Keadaan superkonduktor terjadi secara tiba-tiba pada suhu yang disebut suhu transisi. Di atas suhu ini, logam atau semikonduktor berada dalam keadaan normal, dan di bawahnya - dalam keadaan superkonduktor. Suhu transisi suatu zat ditentukan oleh hubungan antara dua “kekuatan yang berlawanan”: yang satu cenderung mengatur elektron, dan yang lain cenderung menghancurkan tatanan ini. Misalnya, kecenderungan keteraturan pada logam seperti tembaga, emas, dan perak sangat kecil sehingga unsur-unsur ini tidak menjadi superkonduktor bahkan pada suhu hanya sepersejuta kelvin di atas nol mutlak. Logam dan paduan lainnya memiliki suhu transisi berkisar antara 0,000325 hingga 23,2 K.
Efek Meisener(mendorong medan magnet) disebabkan oleh kenyataan bahwa semua sistem fisik cenderung berada pada keadaan dengan energi minimal. Medan magnet mempunyai sejumlah energi. Energi superkonduktor meningkat dalam medan magnet. Namun berkurang lagi karena timbul arus di lapisan permukaan superkonduktor. Arus ini menciptakan medan magnet yang mengimbangi medan yang diterapkan dari luar. Energi superkonduktor lebih tinggi dibandingkan tanpa adanya medan magnet luar, tetapi lebih rendah dibandingkan jika medan menembus ke dalamnya.
§ 2.4 Pembenaran teoretis:
Teori pertama yang mengklaim memberikan penjelasan mikroskopis tentang penyebab superkonduktivitas adalah teori Bardeen-Cooper-Schrieffer, yang diciptakan oleh mereka pada tahun 50-an abad lalu. Teori ini mendapat pengakuan universal dengan nama BCS dan dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1972. Saat membuat teorinya, penulis mengandalkan efek isotop, yaitu pengaruh massa isotop pada suhu kritis superkonduktor. Keberadaannya diyakini secara langsung menunjukkan pembentukan keadaan superkonduktor akibat kerja mekanisme fonon.
Pada tahun 1911, fisikawan Belanda H. Kamerlingh-Onnes menemukan fenomena superkonduktivitas. Dia mengukur hambatan listrik merkuri pada suhu rendah. Onnes ingin mengetahui seberapa rendah ketahanan suatu zat terhadap arus listrik jika zat tersebut dimurnikan sebanyak mungkin dari pengotor dan “kebisingan termal” dikurangi sebanyak mungkin, yaitu. mengurangi suhu.
Hasil penelitian ini tidak terduga: pada suhu di bawah 4,15 K, hambatannya hilang hampir seketika. Grafik perilaku resistansi sebagai fungsi suhu ditunjukkan pada Gambar. 1.
Arus listrik adalah pergerakan partikel bermuatan. Pada saat itu telah diketahui bahwa arus listrik pada benda padat merupakan aliran elektron. Mereka bermuatan negatif dan jauh lebih ringan daripada atom penyusun zat apa pun.
Setiap atom, pada gilirannya, terdiri dari inti bermuatan positif dan elektron yang berinteraksi dengannya dan satu sama lain menurut hukum Coulomb. Setiap elektron atom menempati “orbit” tertentu. Semakin dekat “orbit” ke inti, semakin kuat elektron tertarik padanya, semakin banyak energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron tersebut dari inti. Sebaliknya, elektron yang terluar dari inti atom paling mudah terlepas darinya, meskipun hal ini juga memerlukan energi.
Elektron terluar disebut elektron valensi. Dalam zat yang disebut logam, mereka sebenarnya melepaskan diri dari atom ketika mereka bergabung membentuk padatan dan membentuk gas dengan elektron yang hampir bebas. Ini adalah gambaran fisik yang sederhana, indah, dan sering kali benar: sepotong materi seperti bejana yang di dalamnya terdapat “gas” elektron (Gbr. 2).
Jika kita membuat medan listrik - berikan tegangan pada zat yang diteliti, angin akan muncul di gas elektron, seolah-olah di bawah pengaruh perbedaan tekanan. Angin ini merupakan arus listrik.
Logam
Tidak semua zat dapat menghantarkan listrik dengan baik. Dalam dielektrik, elektron valensi tetap “terikat” pada atomnya dan tidak mudah untuk memindahkannya ke seluruh sampel.
Cukup sulit untuk menjelaskan mengapa beberapa zat berubah menjadi logam, sementara yang lain menjadi dielektrik. Itu tergantung pada atom apa yang terbuat dan bagaimana atom-atom tersebut tersusun. Kadang-kadang transformasi dimungkinkan ketika susunan atom berubah, misalnya, di bawah pengaruh tekanan, atom-atom saling mendekat dan dielektrik menjadi logam.
Tidak ada arus yang mengalir melalui dielektrik, tetapi elektron juga tidak bergerak bebas sepenuhnya di dalam logam. Mereka bertemu dengan “inti” atom yang darinya mereka “memisahkan diri” dan tersebar ke sana. Dalam hal ini terjadi gesekan atau dikatakan arus listrik mengalami hambatan.
Dengan superkonduktivitas, resistansi menghilang dan menjadi sama dengan nol, mis. pergerakan elektron terjadi tanpa gesekan. Sementara itu, pengalaman hidup kita sehari-hari tampaknya tidak mungkin melakukan gerakan seperti itu.
Pekerjaan fisikawan selama beberapa dekade bertujuan untuk menyelesaikan kontradiksi ini.
Sifat yang ditemukan ini sangat tidak biasa sehingga disebut logam yang memiliki ketahanan, berbeda dengan superkonduktor normal.
Perlawanan
Hambatan listrik sepotong logam (seperti kawat) diukur dalam ohm dan ditentukan oleh ukuran dan bahan sampel. Dalam rumusnya
R = ρ × aku / S
R- perlawanan, aku— panjang (ukuran sampel dalam arah aliran arus), S— potongan melintang sampel. Setelah menuliskan rumus seperti itu, kita sepertinya terus membandingkan elektron dengan gas: semakin lebar dan pendek pipanya, semakin mudah untuk meniupkan gas melaluinya.
Nilai ρ — resistivitas, mencirikan sifat bahan dari mana sampel dibuat.
Untuk tembaga murni pada suhu kamar ρ = 1,75·10 -6 Ohm cm.
Tembaga adalah salah satu logam yang paling konduktif dan banyak digunakan untuk membuat kabel listrik. Beberapa logam lain menghantarkan listrik dengan kurang baik pada suhu kamar:
Sebagai perbandingan, kami menyajikan resistivitas beberapa dielektrik, juga pada suhu kamar:
Saat suhu turun T Resistivitas tembaga berangsur-angsur menurun dan pada suhu beberapa kelvin menjadi 10 -9 Ohm cm, tetapi tembaga tidak menjadi superkonduktor. Dan aluminium, timbal, merkuri masuk ke keadaan superkonduktor, dan percobaan yang dilakukan dengan mereka menunjukkan bahwa resistivitas superkonduktor tidak melebihi 10 -23 Ohm cm - seratus triliun kali lebih kecil dari resistivitas tembaga!
Resistensi sisa
Resistivitas suatu logam bergantung pada suhu. Grafik bersyarat ρ( T), katakanlah, untuk tembaga, Anda lihat pada Gambar. 3. Semakin tinggi suhu, semakin besar hambatannya, semakin banyak “inti” atom yang menyusun logam tersebut bergetar dan semakin besar interferensi yang ditimbulkannya terhadap arus listrik. Sebaliknya, jika kita mendekatkan suhu ke nol mutlak, resistansi sampel akan “cenderung” ke ρ 0 - resistansi sisa. Resistansi sisa tergantung pada kesempurnaan dan komposisi sampel. Dalam zat apa pun terdapat atom pengotor asing, serta segala macam cacat lainnya. Semakin sedikit cacat yang ada pada sampel, semakin rendah resistansi sisa. Ketergantungan inilah yang menarik perhatian Onnes pada tahun 1911. Dia tidak mencari “superkonduktivitas” sama sekali, tetapi mencoba mencari tahu seberapa kecil resistansi sisa yang dapat dihasilkan dengan memurnikan sampel. Dia melakukan percobaan dengan merkuri karena pada saat itu merkuri dapat dibawa ke tingkat kemurnian yang lebih tinggi daripada platinum, emas atau tembaga (logam ini merupakan konduktor yang lebih baik daripada merkuri, dan Onnes mempelajarinya sebelum ditemukannya superkonduktivitas. Baik emas maupun platinum, tidak juga tembaga adalah “superkonduktor”).
Temperatur kritis
Superkonduktivitas terjadi secara tiba-tiba ketika suhu menurun. Suhu T c, setelah mencapai lompatan yang terjadi, disebut kritis. Sebuah studi yang cermat menunjukkan bahwa transisi seperti itu diamati dalam kisaran suhu tertentu (Gbr. 4). Gesekan elektron yang bergerak menghilang terlepas dari “kemurnian” sampel, tetapi semakin “murni” sampel, semakin tajam lompatan resistansinya; lebarnya pada sampel “terbersih” kurang dari seperseratus derajat. Dalam hal ini, kita berbicara tentang sampel atau superkonduktor yang “baik”; dalam sampel yang "buruk", lebar transisi bisa mencapai puluhan derajat. (Ini, tentu saja, berlaku untuk apa yang disebut superkonduktor suhu tinggi, yang mana T c mencapai ratusan kelvin.)
Temperatur kritis tiap zat berbeda-beda. Suhu ini dan tahun penemuan superkonduktivitas (lebih tepatnya, tahun penerbitan artikel tentangnya) ditunjukkan pada Gambar. 5 untuk beberapa unsur murni. Niobium memiliki suhu kritis tertinggi (pada tekanan atmosfer) dari semua unsur dalam Tabel Periodik D.I. Mendeleev, meskipun tidak melebihi 10 K.
Onnes tidak hanya menemukan superkonduktivitas merkuri, timah dan timah, tetapi juga menemukan paduan superkonduktor pertama - paduan merkuri dengan emas dan timah. Sejak itu, pekerjaan ini terus berlanjut, semakin banyak senyawa baru yang diuji superkonduktivitasnya, dan kelas superkonduktor secara bertahap berkembang.
Suhu rendah
Penelitian tentang superkonduktivitas berkembang sangat lambat. Untuk mengamati fenomena tersebut, logam perlu didinginkan hingga suhu rendah, dan ini tidak mudah. Sampel harus terus-menerus didinginkan, kemudian ditempatkan dalam cairan pendingin. Semua cairan yang kita kenal dari pengalaman sehari-hari membeku dan mengeras pada suhu rendah. Oleh karena itu, perlu dilakukan pencairan zat yang berbentuk gas pada kondisi ruangan. Pada Gambar. 6 suhu mendidih ditunjukkan T b dan mencair T m lima zat (pada tekanan atmosfer).
Jika Anda menurunkan suhu di bawah T b , zatnya mencair, dan di bawahnya T m itu mengeras. (Helium pada tekanan atmosfer tetap cair hingga suhu nol mutlak.) Jadi untuk tujuan kita, salah satu zat berikut dapat digunakan antara T pita T M. Hingga tahun 1986, suhu kritis superkonduktivitas maksimum yang diketahui hampir tidak melebihi 20 K, sehingga ketika mempelajari superkonduktivitas, tidak mungkin dilakukan tanpa helium cair. Nitrogen juga banyak digunakan sebagai pendingin. Nitrogen dan helium digunakan dalam tahap pendinginan berturut-turut. Kedua zat ini bersifat netral dan aman.
Pencairan helium itu sendiri merupakan masalah yang sangat menarik dan mempesona, yang solusinya banyak dilakukan oleh fisikawan pada pergantian abad ke-19 dan ke-20. Onnes mencapai tujuannya pada tahun 1908. Khusus untuk itu, ia mendirikan laboratorium di Leiden (Belanda). Selama 15 tahun, laboratorium memonopoli penelitian unik dalam kisaran suhu baru. Pada tahun 1923-1925. Mereka belajar memproduksi helium cair di dua laboratorium lain di dunia - di Toronto dan Berlin. Di Uni Soviet, peralatan semacam itu muncul pada awal tahun 1930-an. di Institut Fisika dan Teknologi Kharkov.
Setelah Perang Dunia II, seluruh industri secara bertahap berkembang di banyak negara untuk memasok laboratorium dengan helium cair. Sebelumnya, semuanya bersifat “swalayan”. Kesulitan teknis dan kompleksitas fisik dari fenomena ini menyebabkan pengetahuan tentang superkonduktivitas terakumulasi dengan sangat lambat. Hanya 22 tahun setelah penemuan pertama, sifat dasar superkonduktor yang kedua ditemukan.
Efek Meissner
Pengamatannya dilaporkan oleh fisikawan Jerman W. Meissner dan R. Ochsenfeld pada tahun 1933.
Sampai saat ini kita menyebut hilangnya hambatan listrik sebagai superkonduktivitas. Namun, superkonduktivitas lebih kompleks dari sekadar tidak adanya hambatan. Ini juga merupakan reaksi tertentu terhadap medan magnet luar. Efek Meissner terjadi ketika medan magnet yang konstan dan tidak terlalu kuat didorong keluar dari sampel superkonduktor. Dalam ketebalan superkonduktor, medan magnet melemah hingga nol; superkonduktivitas dan magnet dapat disebut sebagai sifat yang berlawanan.
Saat mencari superkonduktor baru, kedua sifat utama superkonduktivitas diuji:
- dalam superkonduktor, hambatan listrik hilang;
- Medan magnet didorong keluar dari superkonduktor.
Dalam beberapa kasus, pada superkonduktor “kotor”, penurunan resistansi terhadap suhu bisa jauh lebih besar daripada yang ditunjukkan pada Gambar. 1 untuk merkuri. Dalam sejarah penelitian, telah berulang kali terjadi bahwa fisikawan salah mengira superkonduktivitas sebagai penurunan resistansi karena alasan lain, misalnya karena korsleting biasa.
Untuk membuktikan adanya superkonduktivitas, perlu diamati manifestasi setidaknya kedua sifat utamanya. Eksperimen yang sangat mengesankan yang menunjukkan adanya efek Meissner disajikan pada Gambar. 7: Sebuah magnet permanen melayang di atas cangkir superkonduktor. Eksperimen semacam itu pertama kali dilakukan oleh fisikawan Soviet V.K. Arkadyev pada tahun 1945.
Dalam superkonduktor, timbul arus yang mendorong medan magnet, medan magnetnya menolak magnet permanen dan mengimbangi beratnya. Dinding cangkir yang mendorong magnet ke tengah juga penting. Di atas dasar yang datar, posisi magnet yang tidak stabil akan menyebabkan magnet bergerak ke samping. Magnet mengambang ini mengingatkan kita pada legenda levitasi. Legenda yang paling terkenal adalah tentang makam seorang nabi yang religius. Peti mati itu, ditempatkan di dalam gua, melayang di udara tanpa dukungan yang terlihat. Sekarang tidak mungkin untuk mengatakan dengan pasti apakah cerita-cerita tersebut didasarkan pada fenomena nyata. Sekarang secara teknis dimungkinkan untuk “membuat legenda menjadi kenyataan” menggunakan efek Meissner.
Medan magnet
Fisika modern menggunakan konsep medan untuk menggambarkan pengaruh suatu benda terhadap benda lain pada jarak tertentu, tanpa kontak langsung. Dengan demikian, muatan dan arus berinteraksi melalui medan elektromagnetik. Setiap orang yang telah mempelajari hukum medan elektromagnetik mengetahui gambaran visual medan - gambaran garis gayanya. Gambar ini pertama kali digunakan oleh fisikawan Inggris M. Faraday. Untuk lebih jelasnya, ada gunanya mengingat gambaran lain dari suatu bidang, yang digunakan oleh fisikawan Inggris lainnya - J. C. Maxwell.
Bayangkan medan adalah fluida yang bergerak, seperti air, yang mengalir sepanjang arah garis medan. Mari kita coba menjelaskan dengan bantuannya interaksi muatan menurut hukum Coulomb. Misalkan ada kolam, untuk kesederhanaan, datar dan dangkal, tampilan atasnya ditunjukkan pada Gambar. 8. Ada dua lubang di dasar: melalui satu lubang, air masuk ke dalam kolam (seperti muatan positif), dan melalui lubang lainnya mengalir keluar (ini adalah saluran pembuangan, atau muatan negatif). Air yang mengalir dalam kolam tersebut mewakili medan listrik dari dua muatan stasioner. Airnya jernih dan alirannya tidak terlihat oleh kita. Namun mari kita masukkan “muatan positif uji” ke dalam pancaran—bola dengan tali. Kita akan segera merasakan gayanya - cairan membawa bola bersamanya.
Air membawa bola menjauh dari sumbernya - seperti muatan yang tolak menolak. Bola tertarik ke saluran pembuangan, atau muatan yang berbeda tandanya, dan gaya antar muatan bergantung pada jarak di antara muatan tersebut, seperti yang disyaratkan oleh hukum Coulomb.
Arus dan medan dalam superkonduktor
Untuk memahami perilaku arus dan medan pada superkonduktor, kita perlu mengingat hukum induksi magnet. Sekarang untuk tujuan kita, akan lebih berguna jika memberikan rumusan yang lebih umum daripada dalam pelajaran fisika sekolah. Hukum induksi magnet sebenarnya berbicara tentang hubungan antara medan listrik dan medan magnet. Jika kita membayangkan medan elektromagnetik sebagai suatu fluida, maka hubungan antara komponen listrik dan magnet dari medan tersebut dapat direpresentasikan sebagai hubungan antara aliran fluida tenang (laminar) dan pusaran. Masing-masing dari mereka dapat eksis dengan sendirinya. Mari kita, misalnya, memiliki aliran luas yang tenang di depan kita - medan listrik yang seragam. Jika Anda mencoba mengubah bidang ini, mis. Seolah-olah memperlambat atau mempercepat cairan, pasti akan muncul pusaran – medan magnet. Perubahan medan magnet selalu menimbulkan munculnya medan listrik, dan medan listrik menginduksi arus pada suatu rangkaian penghantar, ini adalah fenomena induksi magnet yang biasa terjadi: perubahan medan magnet menginduksi arus. Hukum fisika inilah yang berlaku di semua pembangkit listrik di dunia, dengan satu atau lain cara menyebabkan perubahan medan magnet pada konduktor. Medan listrik yang dihasilkan menghasilkan arus yang mengalir ke rumah dan pabrik industri kita.
Tapi mari kita kembali ke superkonduktor. Arus searah pada superkonduktor tidak memerlukan adanya medan listrik, dan pada keadaan setimbang medan listrik pada superkonduktor adalah nol. Medan seperti itu akan mempercepat elektron, tetapi tidak ada hambatan atau gesekan yang dapat menyeimbangkan percepatan pada superkonduktor. Medan listrik konstan yang kecil dan sewenang-wenang akan menyebabkan peningkatan arus yang tak terhingga, dan hal ini tidak mungkin terjadi. Medan listrik hanya muncul di bagian non-superkonduktor pada rangkaian. Arus mengalir dalam superkonduktor tanpa penurunan tegangan.
Penalaran mental tidak mengungkapkan apa pun yang dapat mencegah keberadaan medan magnet dalam superkonduktor. Namun yang jelas superkonduktor akan mencegah perubahan medan magnet. Memang benar, perubahan medan magnet akan menghasilkan arus, yang akan menciptakan medan magnet yang akan mengimbangi perubahan awal.
Jadi, setiap rangkaian superkonduktor harus mempertahankan medan magnet yang mengalir melaluinya. (Fluks magnet yang melalui suatu loop hanyalah produk dari kekuatan medan magnet dan luas loop.)
Hal yang sama juga harus terjadi pada ketebalan superkonduktor. Misalnya, jika kita mendekatkan magnet ke sampel superkonduktor, medan magnetnya tidak dapat menembus superkonduktor. Setiap "upaya" seperti itu menyebabkan munculnya arus dalam superkonduktor, yang medan magnetnya mengkompensasi medan eksternal. Akibatnya, tidak ada medan magnet pada ketebalan superkonduktor, dan arus yang dibutuhkan untuk ini mengalir di sepanjang permukaan. Dalam ketebalan konduktor biasa, yang dimasukkan ke dalam medan magnet, semuanya terjadi dengan cara yang persis sama, tetapi terdapat hambatan di sana dan arus induksi meluruh dengan cukup cepat, dan energinya berubah menjadi panas karena gesekan. (Panas ini sangat mudah dideteksi secara eksperimental: dekatkan tangan Anda ke trafo yang berfungsi, dan Anda akan merasakan panas yang memancar darinya.) Dalam superkonduktor tidak ada hambatan, arus tidak padam dan tidak “melepaskan” medan magnet dalam jangka waktu berapa pun. Gambaran yang dijelaskan akurat dan telah berulang kali dikonfirmasi oleh pengalaman.
Sekarang mari kita lakukan eksperimen mental lainnya. Mari kita “mengambil” zat superkonduktor yang sama, tetapi pada suhu yang cukup tinggi, ketika masih dalam keadaan normal. Mari kita bawa ke dalam medan magnet dan tunggu sampai semuanya tenang, arusnya padam - zat tersebut diserap oleh fluks magnet. Kami akan menurunkan suhu, menunggu zat menjadi superkonduktor. Tampaknya penurunan suhu tidak mempengaruhi pola medan magnet. Fluks magnet dalam superkonduktor tidak boleh berubah. Jika Anda melepaskan magnet - sumber medan magnet luar, maka superkonduktor harus menahan hal ini dan arus superkonduktor akan muncul di permukaan, mempertahankan medan magnet di dalam zat.
Namun, perilaku ini sama sekali tidak konsisten dengan apa yang diamati secara eksperimental: efek Meissner juga akan terjadi dalam kasus ini. Jika Anda mendinginkan logam normal dalam medan magnet, maka ketika logam tersebut bertransisi ke keadaan superkonduktor, medan magnet tersebut didorong keluar dari superkonduktor. Pada saat yang sama, arus kontinu muncul di permukaannya, yang memberikan medan magnet nol pada ketebalan superkonduktor. Gambaran keadaan superkonduktor yang dijelaskan selalu diamati, terlepas dari bagaimana transisi ke keadaan ini dilakukan.
Tentu saja, uraian ini sangat diidealkan dan kami akan memperumitnya seiring berjalannya presentasi. Namun sekarang perlu disebutkan bahwa ada dua jenis superkonduktor yang bereaksi berbeda terhadap medan magnet. Kami mulai berbicara tentang sifat-sifat superkonduktor tipe I, dengan penemuan superkonduktivitas dimulai. Belakangan, superkonduktor tipe II dengan sifat yang sedikit berbeda ditemukan. Mereka terutama terkait dengan aplikasi praktis superkonduktivitas.
Diamagnetisme ideal
Bagi fisikawan, keluarnya medan magnet sama mengejutkannya dengan tidak adanya hambatan. Faktanya adalah medan magnet konstan biasanya menembus ke mana-mana. Hal ini tidak terganggu oleh logam ground yang melindungi medan listrik. Dalam kebanyakan kasus, batas suatu benda untuk medan magnet bukanlah dinding yang menahan “alirannya”, melainkan sebuah langkah kecil di dasar kolam, mengubah kedalaman dan sedikit mempengaruhi “aliran” ini. Kekuatan medan magnet suatu zat berubah seperseratus atau seperseribu persen dibandingkan dengan kekuatan luarnya (dengan pengecualian zat magnetis seperti besi dan feromagnet lainnya, yang mana medan magnet dalam yang besar ditambahkan ke medan magnet luar). Pada semua zat lain, medan magnetnya sedikit menguat - dan zat tersebut disebut paramagnetik, atau sedikit melemah - zat tersebut disebut diamagnetik.
Dalam superkonduktor, medan magnet melemah hingga nol bahan diamagnetik ideal.
Hanya layar dengan arus yang terus menerus dipertahankan yang tidak dapat “melewati” medan magnet. Superkonduktor sendiri menciptakan layar seperti itu di permukaannya dan mempertahankannya selama yang diinginkan. Oleh karena itu, efek Meissner, atau diamagnetisme ideal superkonduktor, tidak kalah mengejutkannya dengan konduktivitas idealnya.
Pada Gambar. Gambar 9 secara kasar menunjukkan apa yang terjadi pada bola logam ketika suhu berubah T dan penerapan medan magnet H(garis medan magnet ditunjukkan dengan panah yang menembus atau mengalir di sekitar sampel). Logam dalam keadaan normal ditandai dengan warna biru; jika logam masuk ke keadaan superkonduktor, warnanya berubah menjadi hijau. Sebagai perbandingan, pada Gambar. 9, V menunjukkan bagaimana konduktor ideal (dilambangkan dengan huruf IC) akan berperilaku - logam tanpa efek Meissner dengan resistansi nol (jika ada). Kondisi ini ditandai dengan warna merah.
Beras. 9. Efek Meissner:
A- konduktor normal dengan resistansi bukan nol pada suhu berapa pun (1) dimasukkan ke dalam medan magnet. Sesuai dengan hukum induksi elektromagnetik, timbul arus yang menahan penetrasi medan magnet ke dalam logam (2). Namun, jika resistansinya bukan nol, maka akan cepat rusak. Medan magnet menembus sampel logam normal dan hampir seragam (3);
B- dari keadaan normal pada suhu diatas T c ada dua cara: Pertama: ketika suhu turun, sampel masuk ke keadaan superkonduktor, kemudian medan magnet dapat diterapkan, yang didorong keluar dari sampel. Kedua: pertama-tama terapkan medan magnet yang menembus sampel, lalu turunkan suhunya, kemudian medan tersebut akan terdorong keluar selama transisi. Mematikan medan magnet memberikan gambaran yang sama;
V- jika tidak ada efek Meissner, konduktor tanpa hambatan akan berperilaku berbeda. Saat bertransisi ke keadaan tanpa hambatan dalam medan magnet, ia akan mempertahankan medan magnet dan akan mempertahankannya bahkan ketika medan magnet luar dihilangkan. Magnet semacam itu dapat didemagnetisasi hanya dengan menaikkan suhu. Namun perilaku ini belum diamati secara eksperimental.
Sedikit sejarah
Pada bab berikutnya kita akan membahas lebih detail tentang sifat-sifat menakjubkan superkonduktor, dan kami ingin mengakhiri bab ini dengan membuat daftar karya terpenting yang dilakukan fisikawan dalam studi superkonduktivitas.
Pertama-tama, ini adalah penemuan H. Kamerlingh Onnes (1911) dan W. Meissner dan R. Ochsenfeld (1933) yang telah disebutkan. Penjelasan teoritis pertama tentang perilaku superkonduktor dalam medan magnet dikemukakan di Inggris (1935) oleh fisikawan Jerman F. London dan G. London yang beremigrasi dari Jerman. Pada tahun 1950, L. D. Landau dan salah satu penulis buku ini menulis makalah di mana mereka membangun teori superkonduktivitas yang lebih umum. Deskripsi ini ternyata mudah digunakan dan masih digunakan sampai sekarang; ini disebut teori Ginzburg – Landau atau teori superkonduktivitas ψ.
Mekanisme fenomena tersebut ditemukan pada tahun 1957 oleh fisikawan Amerika J. Bardeen, L. Cooper dan J. Schrieffer. Berdasarkan huruf kapital pada namanya, teori ini disebut teori BCS, dan mekanismenya sendiri (perilaku berpasangan elektron sangat penting) sering disebut “Cooper pairing”, karena idenya ditemukan oleh L. Cooper. Bagi perkembangan fisika superkonduktivitas, keberadaan dua jenis superkonduktor—tipe I dan II—memainkan peran utama. Merkuri dan sejumlah superkonduktor lainnya merupakan superkonduktor tipe I. Superkonduktor tipe II sebagian besar merupakan paduan dari dua atau lebih unsur. Karya L.V. Shubnikov dan rekan-rekannya di Kharkov pada tahun 1930-an memainkan peran utama dalam penemuan superkonduktivitas tipe II. dan A.A.Abrikosov pada tahun 1950-an.
Selain itu, penemuan dan penelitian pada tahun 1950-an memberikan dampak yang besar. senyawa dengan suhu kritis yang relatif tinggi, mampu menahan medan magnet yang sangat tinggi dan melewatkan arus berkepadatan tinggi dalam keadaan superkonduktor. Mungkin puncak dari penelitian ini adalah eksperimen J. Künzler dan rekan-rekannya (1960). Mereka menunjukkan bahwa kawat Nb 3 Sn di T= 4,2 K dalam medan berkekuatan 88.000 Oe (mereka tidak mempunyai medan yang lebih kuat) melewati arus dengan kepadatan 100 ribu A/cm 2 . Superkonduktor yang ditemukan saat itu masih berfungsi di perangkat teknis. Bahan-bahan tersebut sekarang diklasifikasikan sebagai kelas superkonduktor khusus, yang disebut “superkonduktor keras”.
Pada tahun 1962, fisikawan Inggris B. Josephson secara teoritis meramalkan fenomena yang sangat tidak biasa yang akan terjadi pada kontak superkonduktor. Prediksi ini kemudian dikonfirmasi sepenuhnya, dan fenomena itu sendiri disebut superkonduktivitas lemah atau efek Josephson dan dengan cepat ditemukan penerapan praktisnya.
Akhirnya, sebuah artikel (1986) oleh fisikawan yang bekerja di Zurich, A. Müller dari Swiss dan G. Bednorz dari Jerman, menandai penemuan kelas baru zat superkonduktor - superkonduktor suhu tinggi - dan memunculkan banyak penelitian baru. Di area ini.
Derajat skala Kelvin biasanya dilambangkan dengan huruf kapital K; sama dengan derajat Celcius biasa, tetapi dihitung dari suhu nol mutlak. Pada skala Celsius, suhu nol mutlak adalah -273,16°C, sehingga suhu 4,15 K tersebut sama dengan -269,01°C. Berikut ini, kami akan mencoba memberikan nilai yang dibulatkan.
Gambaran terjadinya hambatan listrik tentu saja lebih kompleks dan akan kita bahas lebih detail lagi nanti.
Suatu metode “distilasi” yang mirip dengan proses penyulingan air.
(77 K), cairan kriogenik yang jauh lebih murah.
YouTube ensiklopedis
1 / 5
✪ Pelajaran 296. Ketergantungan suhu pada ketahanan logam. Superkonduktivitas
✪ Superkonduktivitas. Arus listrik di berbagai lingkungan. Film pendidikan
✪ SUPERKONDUKTOR DAN LEVITASI KUANTUM!
✪ Superkonduktivitas (diriwayatkan oleh fisikawan Boris Fain)
✪ Daya hantar listrik berbagai zat | Fisika kelas 10 #57 | Informasi pelajaran
Subtitle
Sejarah penemuan
Dasar penemuan fenomena superkonduktivitas adalah pengembangan teknologi untuk mendinginkan material hingga suhu sangat rendah. Pada tahun 1877, insinyur Perancis Louis Cayette dan fisikawan Swiss Raoul Pictet secara independen mendinginkan oksigen menjadi cair. Pada tahun 1883, Zygmunt Wróblewski dan Karol Olszewski melakukan pencairan nitrogen. Pada tahun 1898, James Dewar berhasil memperoleh hidrogen cair.
Pada tahun 1893, fisikawan Belanda Heike Kamerlingh Onnes mulai mempelajari masalah suhu sangat rendah. Ia berhasil menciptakan laboratorium kriogenik terbaik di dunia, di mana ia memperoleh helium cair pada 10 Juli 1908. Kemudian dia berhasil menaikkan suhunya menjadi 1 Kelvin. Kamerlingh Onnes menggunakan helium cair untuk mempelajari sifat-sifat logam, khususnya untuk mengukur ketergantungan hambatan listriknya terhadap suhu. Menurut teori klasik yang ada pada saat itu, resistansi akan turun secara perlahan seiring dengan penurunan suhu, namun ada juga yang berpendapat bahwa pada suhu yang terlalu rendah, elektron akan berhenti dan logam akan berhenti mengalirkan arus sepenuhnya. Eksperimen yang dilakukan oleh Kamerlingh Onnes dengan asistennya Cornelis Dorsman dan Gilles Holst pada awalnya menegaskan kesimpulan tentang penurunan resistensi secara bertahap. Namun, pada tanggal 8 April 1911, ia secara tak terduga menemukan bahwa pada suhu 3 Kelvin (sekitar −270 °C) hambatan listrik praktis nol. Eksperimen berikutnya, yang dilakukan pada tanggal 11 Mei, menunjukkan bahwa penurunan tajam resistensi terhadap nol terjadi pada suhu sekitar 4,2 K (kemudian, pengukuran yang lebih akurat menunjukkan bahwa suhu tersebut adalah 4,15 K). Efek ini benar-benar tidak terduga dan tidak dapat dijelaskan oleh teori-teori yang ada saat itu.
Resistansi nol bukan satu-satunya ciri pembeda superkonduktor. Salah satu perbedaan utama antara superkonduktor dan konduktor ideal adalah efek Meissner, yang ditemukan oleh Walter Meissner dan Robert Oxenfeld pada tahun 1933.
Belakangan diketahui bahwa superkonduktor dibagi menjadi dua keluarga besar: superkonduktor tipe I (yang khususnya termasuk merkuri) dan tipe II (yang biasanya merupakan paduan logam yang berbeda). Karya L.V. Shubnikov pada tahun 1930-an dan A.A. Abrikosov pada tahun 1950-an memainkan peran penting dalam penemuan superkonduktivitas tipe II.
Yang sangat penting untuk aplikasi praktis dalam elektromagnet berdaya tinggi adalah penemuan superkonduktor pada tahun 1950-an yang mampu menahan medan magnet yang kuat dan mentransmisikan kepadatan arus yang tinggi. Maka pada tahun 1960, di bawah pimpinan J. Künzler, ditemukan bahan Nb 3 Sn, sebuah kawat yang mampu melewatkan arus dengan kepadatan hingga 100 kA/cm² pada suhu 4,2 K, berada di medan magnet 8,8 T.
Pada tahun 2015, rekor baru dicapai untuk suhu di mana superkonduktivitas tercapai. Untuk H 2 S (hidrogen sulfida) pada tekanan 100 GPa, transisi superkonduktor tercatat pada suhu 203 K (-70 ° C).
Klasifikasi
Ada beberapa kriteria untuk mengklasifikasikan superkonduktor. Inilah yang utama:
Sifat-sifat superkonduktor
Nol hambatan listrik
Untuk arus listrik searah, hambatan listrik superkonduktor adalah nol. Hal ini ditunjukkan dalam percobaan di mana arus listrik diinduksi dalam superkonduktor tertutup, yang mengalir di dalamnya tanpa redaman selama 2,5 tahun (percobaan terhenti oleh pemogokan pekerja yang mengirimkan cairan kriogenik).
Superkonduktor dalam bidang frekuensi tinggi
Sebenarnya, pernyataan bahwa resistansi superkonduktor adalah nol hanya berlaku untuk arus listrik searah. Dalam medan listrik bolak-balik, resistansi superkonduktor adalah bukan nol dan meningkat seiring dengan meningkatnya frekuensi medan. Efek ini, dalam bahasa model superkonduktor dua fluida, dijelaskan oleh kehadiran, bersama dengan fraksi elektron superkonduktor, elektron biasa, yang jumlahnya kecil. Ketika superkonduktor ditempatkan dalam medan konstan, medan di dalam superkonduktor ini menjadi nol, karena jika tidak, elektron superkonduktor akan berakselerasi hingga tak terbatas, dan hal ini tidak mungkin terjadi. Namun, dalam kasus medan bolak-balik, medan di dalam superkonduktor bukan nol dan juga mempercepat elektron normal, yang terkait dengan hambatan listrik terbatas dan kehilangan panas Joule. Efek ini terutama terlihat pada frekuensi cahaya yang memiliki energi kuantum h ν (\displaystyle h\nu ) cukup untuk mentransfer elektron superkonduktor ke kelompok elektron normal. Frekuensi ini biasanya terletak pada daerah inframerah (sekitar 10 11 Hz), oleh karena itu pada daerah tampak superkonduktor praktis tidak berbeda dengan logam biasa.
Transisi fase ke keadaan superkonduktor
Kisaran suhu transisi ke keadaan superkonduktor untuk sampel murni tidak melebihi seperseribu Kelvin dan oleh karena itu nilai tertentu masuk akal T s- suhu transisi ke keadaan superkonduktor. Besaran ini disebut suhu transisi kritis. Lebar interval transisi bergantung pada heterogenitas logam, terutama pada adanya pengotor dan tekanan internal. Suhu yang diketahui saat ini T s bervariasi dari 0,0005 K untuk magnesium (Mg) hingga 23,2 K untuk senyawa intermetalik niobium dan germanium (Nb 3 Ge, dalam film) dan 39 K untuk magnesium diborida ( 2) untuk superkonduktor suhu rendah ( T s di bawah 77 K, titik didih nitrogen cair), hingga sekitar 135 K untuk superkonduktor suhu tinggi yang mengandung merkuri.
Saat ini, fase HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) memiliki nilai suhu kritis tertinggi yang diketahui - 135 K, dan pada tekanan eksternal 350 ribu atmosfer, suhu transisi meningkat menjadi 164 K, yang mana hanya 19 K lebih rendah dari suhu minimum yang tercatat dalam kondisi alami di permukaan bumi. Dengan demikian, superkonduktor dalam perkembangannya telah berubah dari logam merkuri (4,15 K) menjadi superkonduktor suhu tinggi yang mengandung merkuri (164 K). Pada tahun 2000, ditunjukkan bahwa sedikit fluorinasi pada keramik merkuri yang disebutkan di atas memungkinkan seseorang menaikkan suhu kritis pada tekanan normal menjadi 138 K.
Transisi suatu zat ke keadaan superkonduktor disertai dengan perubahan sifat termalnya. Namun perubahan ini bergantung pada jenis superkonduktor yang dimaksud. Jadi, untuk superkonduktor tipe I tidak adanya medan magnet pada suhu transisi Tc panas transisi (penyerapan atau pelepasan) menjadi nol, dan karenanya mengalami lonjakan kapasitas panas, yang merupakan karakteristik transisi fase jenis ΙΙ. Ketergantungan kapasitas panas pada suhu subsistem elektronik superkonduktor menunjukkan adanya kesenjangan energi dalam distribusi elektron antara keadaan dasar superkonduktor dan tingkat eksitasi dasar. Ketika transisi dari keadaan superkonduktor ke keadaan normal dilakukan dengan mengubah medan magnet yang diterapkan, maka panas harus diserap (misalnya, jika sampel diisolasi secara termal, maka suhunya menurun). Dan ini sesuai dengan transisi fase orde pertama. Untuk superkonduktor tipe II, transisi dari superkonduktor ke keadaan normal dalam kondisi apapun akan menjadi transisi fase tipe II.
Efek Meissner
Sifat yang lebih penting dari superkonduktor daripada hambatan listrik nol adalah apa yang disebut efek Meissner, yang terdiri dari perpindahan medan magnet konstan dari superkonduktor. Dari pengamatan eksperimental ini, disimpulkan bahwa terdapat arus persisten di dalam superkonduktor, yang menciptakan medan magnet internal yang berlawanan dengan medan magnet eksternal yang diterapkan dan mengkompensasinya.
Efek isotop
Efek isotop untuk superkonduktor adalah suhu T s berbanding terbalik dengan akar kuadrat massa atom isotop unsur superkonduktor yang sama. Akibatnya, sediaan monoisotopik agak berbeda suhu kritisnya dengan campuran alami dan satu sama lain.
momen London
Superkonduktor yang berputar menghasilkan medan magnet yang sejajar dengan sumbu rotasi, momen magnet yang dihasilkan disebut “momen London”. Ini digunakan, khususnya, dalam satelit ilmiah Gravity Probe B, di mana medan magnet dari empat giroskop superkonduktor diukur untuk menentukan sumbu rotasinya. Karena rotor giroskop berbentuk bola yang hampir mulus sempurna, penggunaan momen London adalah salah satu dari sedikit cara untuk menentukan sumbu rotasinya.
Momen gravitasi London
Cincin superkonduktor yang berputar dan sekaligus berakselerasi, yaitu meningkatkan frekuensi putaran, menghasilkan medan gravitasi. Eksperimen terkait momen gravitomagnetik London dilakukan oleh Martin Tajmar dari perusahaan Austria ARC Seibersdorf Research dan Clovis de Matos dari Badan Antariksa Eropa (ESA) pada tahun 2006. Para peneliti untuk pertama kalinya mengukur medan gravitomagnetik yang dibuat secara artifisial dengan cara ini. Tajmar dan de Matos percaya bahwa efek ini menjelaskan misteri perbedaan antara massa pasangan Cooper yang sebelumnya diukur dengan akurasi tinggi (ini adalah elektron yang memberikan konduktivitas dalam superkonduktor) dan massa yang sama yang diperoleh di atas kertas - menurut perhitungan teori kuantum .
Para peneliti menyebut efek gravitasi yang ditemukan secara eksperimental sebagai “Momen Gravitomagnetik London”, dengan analogi dengan efek magnet serupa: munculnya medan magnet selama rotasi superkonduktor, yang disebut “Momen London”.
Medan yang ditimbulkan dengan cara ini 100 juta kali lebih lemah dibandingkan medan gravitasi bumi. Meskipun efek ini telah diprediksi oleh Teori Relativitas Umum, kekuatan medan ini ternyata 20 kali lipat lebih kuat dari nilai yang dihitung.
Penjelasan teoritis tentang efek superkonduktivitas
Teori mikroskopis superkonduktivitas yang benar-benar memuaskan saat ini belum ada.
Sudah pada tahap awal studi superkonduktivitas, setidaknya setelah penciptaan teori Ginzburg-Landau, menjadi jelas bahwa superkonduktivitas adalah konsekuensi dari penyatuan sejumlah elektron konduksi makroskopis ke dalam keadaan mekanika kuantum tunggal. Keunikan elektron yang terikat dalam ansambel tersebut adalah bahwa elektron tersebut tidak dapat bertukar energi dengan kisi dalam porsi kecil, lebih kecil dari energi ikatnya dalam ansambel. Artinya ketika elektron bergerak dalam kisi kristal, energi elektron tidak berubah, dan zat berperilaku seperti superkonduktor dengan resistansi nol. Analisis mekanika kuantum menunjukkan bahwa dalam hal ini tidak ada hamburan gelombang elektron oleh getaran termal kisi atau pengotor. Dan ini berarti tidak adanya hambatan listrik. Kombinasi partikel seperti itu tidak mungkin terjadi dalam ansambel fermion. Ini adalah karakteristik dari ansambel boson yang identik. Fakta bahwa elektron dalam superkonduktor digabungkan menjadi pasangan bosonik mengikuti eksperimen yang mengukur besarnya kuantum fluks magnet yang “dibekukan” dalam silinder superkonduktor berongga. Oleh karena itu, pada pertengahan abad ke-20, tugas utama penciptaan teori superkonduktivitas adalah pengembangan mekanisme pasangan elektron. Teori pertama yang mengklaim memberikan penjelasan mikroskopis tentang penyebab superkonduktivitas adalah teori Bardeen - Cooper - Schrieffer, yang diciptakan oleh mereka pada tahun 50-an abad ke-20. Teori ini mendapat pengakuan universal dengan nama BCS dan dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1972. Saat membuat teorinya, penulis mengandalkan efek isotop, yaitu pengaruh massa isotop pada suhu kritis superkonduktor. Keberadaannya diyakini secara langsung menunjukkan pembentukan keadaan superkonduktor akibat kerja mekanisme fonon.
Teori BCS meninggalkan beberapa pertanyaan yang belum terjawab. Atas dasar itu, ternyata tidak mungkin untuk memecahkan masalah utama - untuk menjelaskan mengapa superkonduktor tertentu memiliki suhu kritis tertentu. Selain itu, percobaan lebih lanjut dengan substitusi isotop menunjukkan bahwa, karena anharmonisitas getaran titik nol ion dalam logam, terdapat pengaruh langsung massa ion pada jarak interionik dalam kisi, dan oleh karena itu secara langsung pada energi Fermi dari logam. Oleh karena itu, menjadi jelas bahwa keberadaan efek isotop bukanlah bukti mekanisme fonon, karena satu-satunya mekanisme yang mungkin bertanggung jawab atas pemasangan elektron dan terjadinya superkonduktivitas. Ketidakpuasan terhadap teori BCS di tahun-tahun berikutnya menyebabkan upaya untuk membuat model lain, seperti model fluktuasi putaran dan model bipolaron. Namun, meskipun mereka mempertimbangkan berbagai mekanisme penggabungan elektron menjadi berpasangan, perkembangan ini juga tidak membawa kemajuan dalam pemahaman fenomena superkonduktivitas.
Masalah utama teori BCS adalah adanya , yang tidak dapat dijelaskan oleh teori ini.
Penerapan Superkonduktivitas
Kemajuan signifikan telah dicapai dalam memperoleh superkonduktivitas suhu tinggi. Berdasarkan keramik logam, misalnya komposisi YBa 2 Cu 3 O x , diperoleh zat yang suhunya Tc transisi ke keadaan superkonduktor melebihi 77 K (suhu pencairan nitrogen). Sayangnya, hampir semua superkonduktor suhu tinggi tidak berteknologi maju (rapuh, tidak memiliki sifat stabil, dll.), akibatnya superkonduktor berbahan dasar paduan niobium masih banyak digunakan dalam teknologi.
Fenomena superkonduktivitas digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang kuat (misalnya pada siklotron), karena tidak ada kehilangan panas ketika arus kuat melewati superkonduktor, sehingga menciptakan medan magnet yang kuat. Namun, karena medan magnet menghancurkan keadaan superkonduktivitas, apa yang disebut medan magnet digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang kuat. Superkonduktor tipe II, di mana superkonduktivitas dan medan magnet dapat hidup berdampingan. Dalam superkonduktor seperti itu, medan magnet menyebabkan munculnya filamen tipis logam normal yang menembus sampel, yang masing-masing membawa kuantum fluks magnet (vortisitas Abrikosov). Substansi di antara benang-benang tersebut tetap bersifat superkonduktor. Karena tidak ada efek Meissner penuh pada superkonduktor tipe II, superkonduktivitas ada hingga nilai medan magnet yang jauh lebih tinggi. H C 2. Superkonduktor berikut ini terutama digunakan dalam teknologi:
Perangkat cincin superkonduktor miniatur - SQUIDS, yang tindakannya didasarkan pada hubungan antara perubahan fluks magnet dan tegangan, ditemukan dalam aplikasi penting. Mereka adalah bagian dari magnetometer ultra-sensitif yang mengukur medan magnet bumi, dan juga digunakan dalam pengobatan untuk mendapatkan magnetogram berbagai organ.
Superkonduktor juga digunakan dalam maglev.
Fenomena ketergantungan suhu transisi ke keadaan superkonduktor pada besarnya medan magnet digunakan dalam resistensi yang dikendalikan cryotron.
Lihat juga
Catatan
- Penemuan superkonduktivitas - satu bab dari buku karya J. Trigg “Fisika Abad ke-20: Eksperimen Utama”
- Dirk van Delft dan Peter Kes.
Resistansi konduktor tergantung pada suhu. Ketika logam dipanaskan, resistansinya meningkat; ketika logam didinginkan, resistansinya berkurang. Ketika suhu konduktor mendekati nol, fenomena yang disebut superkonduktivitas mungkin muncul.
Sejarah penemuan
Penemuan superkonduktivitas adalah milik fisikawan Belanda H. Kamerlingh-Onnes. Dia mendinginkan merkuri dalam helium cair. Pada awalnya, resistensi secara bertahap menurun, dan kemudian, setelah mencapai suhu tertentu, resistensi turun tajam ke nol. Fenomena ini disebut superkonduktivitas.
Namun, mereka baru mampu menjelaskan esensi fenomena superkonduktivitas pada tahun 1957. Hal ini diberikan berdasarkan teori kuantum. Dengan penyederhanaan yang sangat besar, superkonduktivitas dapat dijelaskan sebagai berikut: elektron bergabung dalam barisan dan bergerak tanpa bertabrakan dengan kisi kristal. Gerakan ini sama sekali tidak mirip dengan gerakan termal kacau biasa.
Pada tahun 1986, selain superkonduktivitas suhu rendah, superkonduktivitas suhu tinggi ditemukan. Mereka menciptakan senyawa kompleks yang menjadi superkonduktivitas pada suhu 100 K.
Sifat-sifat superkonduktor
- Temperatur kritis adalah temperatur dimana suatu zat masuk ke keadaan superkonduktor. Fenomena superkonduktivitas terjadi pada logam dan paduannya pada suhu yang sangat rendah(kira-kira 25 K ke bawah). Ada tabel referensi yang menunjukkan suhu kritis zat tertentu.
- Karena tidak ada hambatan dalam superkonduktivitas, maka, tidak ada pembangkitan panas yang terjadi ketika arus listrik melewati suatu konduktor. Properti superkonduktor ini banyak digunakan.
- Untuk setiap superkonduktor ada nilai kritis saat ini, yang dapat dicapai dalam suatu konduktor tanpa mengganggu superkonduktivitasnya. Hal ini terjadi karena ketika arus mengalir, medan magnet tercipta di sekitar konduktor. Dan medan magnet menghancurkan keadaan superkonduktor. Oleh karena itu, superkonduktor tidak dapat digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang kuat secara sembarangan.
- Ketika energi melewati superkonduktor tidak ada ruginya. Salah satu bidang penelitian fisikawan modern adalah penciptaan bahan superkonduktor pada suhu kamar. Jika masalah ini dapat diatasi, maka salah satu masalah teknis terpenting akan terpecahkan - transmisi energi melalui kabel tanpa kehilangan.
Prospek
Superkonduktivitas suhu tinggi adalah bidang penelitian yang sangat menjanjikan, yang selanjutnya dapat mengarah pada revolusi teknis baru di bidang elektronik, teknik elektro, dan teknik radio. Menurut data terbaru di bidang ini, suhu kritis superkonduktivitas maksimum yang telah dicapai adalah 166K.
Kami secara bertahap semakin dekat dengan penemuan material yang akan menjadi superkonduktor pada suhu kamar. Ini akan menjadi terobosan dalam dunia teknologi. Listrik dapat disalurkan ke jarak berapa pun tanpa kehilangan.