Nadprzewodnictwo

1
Nadprzewodnictwo
Marta Szuplak II c Magda Sornek II c
2
Nadprzewodnictwo

• Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika
  elektrycznego, polegajaca na tym, ze w pewnych
  warunkach ma on zerowa rezystancje. Innymi
  waznymi zjawiskami zachodzacymi w
  nadprzewodnikach sa wypychanie pola
  magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie
  strumienia magnetycznego przechodzacego przez
  nadprzewodzaca petle. Wiekszosc przewodników
  wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze
  bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K (-273,15C).

3
Historia Nadprzewodnictwa

• W roku 1911 Holender K. Onnes na skutek wielu
  doswiadczen dotyczacych zachowania sie metali w
  niskich temperaturach odkryl nadprzewodnictwo,
  zaobserwowal on bowiem nagly spadek rezystancji
  rteci w cieklym helu w temperaturze 4.15 K.
  Prawie dwadziescia lat pózniej dwaj Holendrzy,
  W. J. de Haas oraz J. Voogd kontynuujac prace
  Onnesa zauwazyli, iz przewodnik wykonany ze stopu
  Pb - Bi w polu magnetycznym o natezeniu 16 000 do
  20 000 gaussów posiada temperature krytyczna
  8.8 K. Odkrycie to rozpoczelo zaawansowane
  badania nad nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi
  . Niestety, ze wzgledu na olbrzymie trudnosci
  materialowo - technologiczne dalsze badania
  zostaly zarzucone na nastepne dwadziescia lat.

K. Onnes
4
Historia Nadprzewodnictwa

• W 1900 roku Paul Drude opracowal
  teorie przewodnictwa metali. Teoria Drudego
  dosc dobrze opisywala przewodnictwo
  elektryczne i cieplne metali, jednak zupelnie nie
  sprawdzala sie przy opisie ciepla wlasciwego.
  Trudnosci te przezwyciezyla dopiero teoria
  zaproponowana przez Petera Debye'a, który
  zastosowal do opisu ciala stalego mechanike
  kwantowa.

5
Historia Nadprzewodnictwa

• W 1933 roku Walther Meissner i Robert Ochsenfeld
  dokonali odkrycia drugiej niezwykle waznej
  wlasnosci nadprzewodników, mianowicie zjawiska
  usuwania z ich wnetrza pola magnetycznego. Zanik
  oporu elektrycznego i zjawisko Meissnera uwaza
  sie za podstawowe wlasnosci nadprzewodników.
  Teoretyczny opis tych zjawisk przedstawili w 1935
  roku bracia Fritz i Heinz Londonowie,
  uzupelniajac elektrodynamike Maxwella. W roku
  1950 Witalij Ginzburg i Lew Landau opublikowali
  teorie nadprzewodnictwa. Jednak wlasnosci
  nadprzewodników byly niezwykle trudne do
  wyjasnienia na gruncie teorii mikroskopowej.Nawet
  w temperaturze bliskiej zera bezwzglednego, gdy
  spodziewalibysmy sie zaniku rozproszenia na
• fononach, wystepuje pewien opór elektryczny
• metalu pochodzacy od rozproszenia
• elektronów na defektach sieci krystalicznej.

Robert Ochsenfeld
6
Historia Nadprzewodnictwa

• Do dzisiaj nie ma zadowalajacego modelu
  opisujacego opór metali w najnizszych
  temperaturach. A jednak opór elektryczny
  nadprzewodników maleje do zera i to w
  temperaturze znacznie wyzszej od zera
  bezwzglednego! Dopiero w pól wieku od odkrycia
  nadprzewodnictwa pojawil sie zadowalajacy
  mikroskopowy opis tego zjawiska, zaproponowany
  przez J. Bardeena, L. Coopera i J. R. Schrieffera
  w latach piecdziesiatych, a zwany od inicjalów
  jego twórców teoria BCS.

John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer
7
Historia Nadprzewodnictwa

• Okazalo sie, ze w niektórych metalach, w
  odpowiednio niskiej temperaturze, swobodne
  elektrony moga sie przyciagac za posrednictwem
  drgan sieci, tworzac pary elektronów zwane parami
  Coopera. Bylo to odkrycie nadprzewodnictwa
  wysokotemperaturowego przez
• J. G. Bednorza i K. A. Mullera.
• Mozna je porównac z odkryciem elektroniki
  kwantowej - fizyki maserów i laserów. Po tym
  odkryciu zaistniala koniecznosc ponownego
  rozpatrzenia podstaw nadprzewodnictwa
  klasycznego. Nadprzewodniki daja nam fascynujace
  mozliwosci obserwowania w skali makroskopowej
  zjawisk bedacych konsekwencja wlasnosci
  mikroskopowych do takich zjawisk nalezy
  kwantowanie strumienia magnetycznego oraz
  zjawisko Josephsona.

J.G Bednorz i K.A. Muller
8
Nagrody Nobla
9

• ZASTOSOWANIE
• Najwiecej zastosowan znalazly nadprzewodniki ze
  wzgledu na swoja zerowa opornosc elektryczna

10
Lozyska nadprzewodzace

• Do konstrukcji lozysk nadprzewodzacych
  wykorzystuje sie zjawisko lewitacji magnesu nad
  nadprzewodnikiem. Lozyska takie cechuja sie
  bardzo dobra stabilnoscia oraz malymi stratami.
  Znajduje zastosowanie w wielu urzadzeniach na
  przyklad w pompach prózniowych.

11
Przewody i druty nadprzewodzace

• Druty projektuje sie tak, aby odprowadzanie
  ciepla bylo zawsze szybsze niz jego wytwarzanie.
  Dlatego tez wlókna nadprzewodzace musza miec
  bardzo mala srednice rzedu 0,01 mm. Aby wytworzyc
  przewody, stosuje sie podloze z elastycznego
  materialu, zawierajace sciezke nadprzewodzaca.
  Najprostszy przewód nadprzewodzacy stanowi pret
  lub rura miedziana pokryta warstwa
  nadprzewodnika. Inna wersja przewodu jest pokryta
  warstwa nadprzewodzaca tasma stalowa lub
  miedziana

12
Zastosowanie przemyslowe

• Brak strat energii na wydzielanie ciepla w
  trakcie przeplywu pradu elektrycznego w
  nadprzewodniku stwarza mozliwosci praktycznego
  zastosowania nadprzewodników. Ograniczeniem w ich
  stosowaniu jest koniecznosc utrzymywania
  materialu w niskiej temperaturze, oraz to, ze
  poznane dotychczas nadprzewodniki
  wysokotemperaturowe sa materialami ceramicznymi
  (a wiec sa kruche, sztywne itd.). Nadprzewodniki
  metaliczne wykorzystywane sa glównie w silnych
  elektromagnesach.

13
Zastosowanie przemyslowe

• Nadprzewodniki wysokotemperaturowe znajda wkrótce
  powszechne zastosowanie w przemysle chemicznym.
  Dlatego ich wlasnosci i sposoby wytwarzania sa
  wazne dla technologii chemicznej.
• Nadprzewodniki moga znalezc zastosowanie równiez
  w elektronice.

14
Zastosowanie nadprzewodników w metrologii (SQUID)

• elektronika slabych sygnalów
• josephsonowska elektronika komputerowa
• magnetometry z czujnikiem SQUID-owym w medycynie

15
MAGLEV

• Kolej magnetyczna (zwana czasem Maglev od ang.
  magnetic levitation - lewitacja magnetyczna) to
  kolej, w której tradycyjne torowisko zostalo
  zastapione przez uklad elektromagnesów. Dzieki
  polu magnetycznemu kolej ta nie ma kontaktu z
  powierzchnia toru gdyz caly czas unosi sie nad
  nim. Do realizacji tego zadania wykorzystuje sie
  elektromagnesy wykonane z nadprzewodników (w
  Japonii) lub konwencjonalne (w Niemczech). Moga
  przez to rozwijac duze predkosci. Dzieki
  zastosowaniu magnesów eliminowane jest tarcie
  kól, które w tradycyjnych pociagach znacznie
  ogranicza maksymalna predkosc jazdy. Dzieki temu
  maglevy zblizaja sie do 600 km/h (rekord swiata w
  predkosci magleva nalezy do japonskiej jego
  wersji, zostal osiagniety 2 XII 2003 i wynosi 581
  km/h). Istnieja linie kolei magnetycznej w
  Japonii, Niemczech i Chinach.
• Od 2003 istnieje w Szanghaju najdluzsza na
  swiecie, pierwsza komercyjna trasa kolei
  magnetycznej Transrapid zbudowana przez niemiecka
  firme Transrapid International. Dlugosc trasy
  wynosi okolo 30 km, pokonywana jest w 8 minut.
  Pociag rozwija maksymalna predkosc 430 km/h.

16
Podstawowe wlasnosci nadprzewodników

• Rozpraszanie elektronów na fononach jest
  proporcjonalne do energii fononu, a ta z kolei
  rosnie wraz z temperatura. Ciekawym sposobem
  demonstrowania zerowego oporu jest wzbudzenie
  pradu w zamknietym pierscieniu z nadprzewodzacego
  metalu. Przeprowadzono doswiadczenia, w których
  "trwaly prad" plynal w takim pierscieniu przez
  ponad dwa i pól roku bez mierzalnego oslabienia.
  Wynika stad, ze opór nadprzewodnika jest mniejszy
  niz 10-23 Ohm cm, co jest wartoscia o 18 rzedów
  mniejsza od oporu miedzi w temperaturze
  pokojowej.

17
Plany na przyszlosc

• Postep nauki przyczynia sie do poznawania
  substancji, które umozliwiaja bezstratny przeplyw
  pradu w coraz wyzszych temperaturach. Wciaz
  jednak jest to temperatura zbyt niska dla
  praktycznych zastosowan i wykorzystanie
  nadprzewodników jest nadal nieoplacalne w
  masowych zastosowaniach. Oczekuje sie odkrycia
  taniego nadprzewodnika, który pracowalby w
  temperaturze normalnej (a wiec do ok. 20C).

18
LINKI

• http//oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/c
  _nadprzewodnictwo/historia.html
• www.jeybi.republika.pl/n4rys1.gif
• http//pl.wikipedia.org/wiki/Nadprzewodnictwo

19

• KONIEC Dziekujemy za uwage )