Supravodljivost

VISOKA ŠKOLA „ CEPS – centar za poslovne studije“ Kiselja 

Supravodljivost

SE!I"A#SKI #A$

!E"%O# & pro'( Pavao Sovi) Pred*ed & Osnove eletrote+nie S%,$E"% & "er*a !u-in.e/ovi)  

Inde0(.r

Kiselja 1 *aj 2345 SA$#6A7  

Stranica

,VO$ ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 8 Supravodljivost i supravodi9i((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( : Otri)a supravodljivosti roz povijest(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( ; Svojstva supravodi9a 1 !eissnerov e'et(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((5 Vo Visoote*peraturni supravodi9i ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((43 ?SC teorija(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((44   Istra@ivanja((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((42   alju9a(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((48   Literatura(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((4:

,vod

2

Danas, kada se spominje supravodljivost onda se misli na svojstvo najviše povezano s tri riječi: nula, beskonačno i savršeno. Jedno od najimpresivnijih svojstava supravodiča jest gubitak električnog otpora kada njegova temperatura padne ispod kritične temperature (T c. !z ovo svojstvo mo"e se zamijetiti i neobični magnetski e#ekt, naime u supravodljivom stanju dolazi do stvaranja savršenog dijamagnetika i pojave $eissnerovog e#ekta. Dakle, supravodljivost je pojava nastanka električnog otpora i potiskivanje unutarnjeg magnetskog polja, a najčeš%e do nje dolazi u metalima pri niskim temperaturama. &upravodiči su materijali koji vode električnu struju bez da pokazuju električni otpor. Supravodljivost je pojava potpunog nestanka električnog otpora, te dovodi do posljedičnog potiskivanja unutarnjeg magnetskog polja (Meissnerov učinak). Supravodljivost je kvantnomehanička pojava i ne može se objasniti klasičnom fikom. !ipično nastaje u nekim materijalima na jako niskim

temperaturama.

!emperaturu

pri

kojoj

materijal

postaje

supravodljiv naivamo kritičnom temperaturom i onačavamo s !". #vu pojavu prvi je uočio $amerlingh % #nnes &'&&. godine mjerei električni otpor žive a koju je ohladio na ,2 kelvina. Supravodljivost ovisi o tri parametra* kritične temperature (!"), kritičnog magnetskog polja (+") i kritičnoj gustoi struje ("). -koliko su svi parametri ispod kritičnih vijednosti materijal e biti u supravodljivom stanju u suprotnom dolai do raaranja supravodljivosti.



Supravodljivost i supravodi9i &upravodljivost je poseban #enomen koji se javlja u raznim metalima, to stanje je de#inirano sa tri elementa: kritična temperatura (Tc , kritično magnetsko polje ('c i kritična gusto%a struje (Jc. &vaki od ovih parametara je jako ovisan o preostala dva i samo ako su svi manji od kritične vrijednosti za dani materijal, materijal %e biti u supravodljivom stanju. $etali, u svom normalnom stanju, posjeduju odreeni električni otpor, veličinu koja varira sa  promjenom temperature. )ad se metal hladi, njegov se otpor (u pravilu smanjuje. ! mnogim se metalima dogaa da se otpor ne samo smanji, ve% i iznenada nestaje kada se proe odreena kritična temperatura. &upravodiči su materijali koji vode električnu struju bez da pokazuju električni otpor tj. otpor  im je nula ili jako blizu nuli. *lektrični otpor je uzrok gubitka energije pri protjecanju struje,  pa stoga supravodiči mogu slu"iti za savršeno prenošenje električne energije. &upravodiči se  primjenjuju u s#eri visoke tehnologije, od njih se rade vrhunski elektromagneti. +dbijaju magnetsko polje tj. ponašaju se kao savršeni dijamagneti.  ormalni vodič

&upravodič

Struja kroz njih teče beskonačno dugo bez gubitaka



Otri)a supravodljivosti roz povijest -e% /01. godine bilo je poznato da se sni"avanjem temperature otpor metala smanjuje, ali je  postojalo nekoliko teorija o njegovoj vrijednosti na temperaturama blizu apsolutne nule. eki su vjerovali da na niskim temperaturama prestaje svako gibanje elektrona, dok su drugi meu kojima je i bio nizozemski #izičar 'eike )ammerling +nnes smatrali da otpor postepeno otpada i na nekoj temperaturi poprima minimalnu vrijednost. 2 /. +nnes je započeo seriju eksperimenata i njegovo otkri%e je mani#estacija prvog  bitnog svojstva supravodiča. 'laenjem ispod neke odreenje temperature njihov električni otpor je nula, i struja kroz njih teče bez gubitaka, beskonačno dugo (odnosno sve dok je materijal na temperaturi koja je ni"a od kritične temperature. ! jednom od svojih eksperimenata +nnes je utvrdio da se struja (koja je godinu dana bila u zatvorenoj petlji iz "ivine "ice nije promijenila. Taj eksperiment je kasnije ponovljen, a iz preciznih mjerenja struje procijenjeno je da je otpornost supravodiča manja od 0 234 +hmcm. /4. godine +ness  je dobio obelovu nagradu za ovo otkri%e. 2 /56.god. prema teoriji 7ardeena, 8oopera, &chrie##era vezivanje elektrona za osciliraju%e rešetke vodi prema #ormiranju vezanih parova elektrona. +vi parovi igraju #undamentalnu ulogu u teoriji. 9otpuna slika mehanizma supravodljivosti pojavila se kad su 7ardeen, 8ooper i &chrie##er pokazali da je kretanje različitih parova strogo usmjereno, te da ova pojava vodi ka gigantskih koherentnih stanja u kojima sudjeluje velik broj elektrona. +vo usmjereno gibanje elektrona u supravodljivom stanju, za razliku od nasumičnog individualnog gibanja u normalnoj kristalnoj rešetci, daje supravodljivosti posebna svojstva. 2 /1.god. 7endorz i $;ller otkrivaju visokotemperaturne supravodiče('T&

Kritične tem erature Tk / K nekih su ravodiča kadmij cink aluminij kositar  živa olovo

/

0,56 0,88 1,1 !,"## $,15 ",18

Svojstva supravodi9a  


 !eissnerov e'et Do /44. =odine se smatralo da je supravodljivost zapravo slučaj idealne vodljivosti. Tada su $esssner i +chsen#eld otkrili da supravodiče karakterizira još jedno bitno svojstvo, koje je nezavisno od idealne vodljivosti. >ko se neki materijal koji ima supravodljiva svojstva stavi u magnetsko polje i ohladi na temperaturi koja je ni"a od kritične temperature T 8, magnetsko  polje biti %e istisnuto iz unutrašnjosti supravodiča. a površini supravodiča induciraju se struje koje stvaraju takvo magnetsko polje koje poništavaju vanjsko polje, te je u unutrašnjosti supravodiča magnetsko polje uvijek nula. +va pojava se opisuje kao idealni dijamagnetizam. $eissnerov e#ekt se javlja samo za relativno slaba magnetska polja? ako polje prijee odreenu (kritičnu vrijednost, ono prodire u cijelu unutrašnjost supravodiča i materijal  prelazi u normalno stanje.

9onašanje supravodiča u magnetskom polju

Vo
+nnesovo otkri%e je mani#estacija prvog bitnog svojstva supravodiča: hlaenjem ispod neke odreene (tzv. kritične temperature T8 njihov električni otpor je nula, i struja kroz njih teče  bez gubitaka praktički beskonačno dugo (odnosno sve dok je materijal na temperaturi koja je ni"a od kritične temperature. ! praksi je utvreno da je i nakon @ godine po isključivanju izvora struje i dalje tekla tim krugom, a da se ni najpreciznijim mjerenjima nije moglo utvrditi nikakvo smanjenje njene  jakosti. >ko jakost struje u supravodiču prijee odreenu vrijednost ( &TA!J>,
Vrste supravodi9a Supravodi9i I(vrste 

$aterijali koji su metali na normalnim temperaturama



)arakterizira ih $eissnerov e#ekt



78& teorija izvorno opisuje ove supravodiče



&upravodljivost prestaje ako okolno mag.polje postane prejako,tj.ve%e od 'c



-rijednosti kritičnih mag.polja'c0.T

Supravodi9i II( Vrste   

1

Cadra"avaju svojstvo supravodljivosti i u jakim mag.poljima 'c E30T  e mogu se objasniti 78& teorijom ! njima nema $eissnerovog e#ekta ili je on slabo izra"en



$iješano stanje'c''c3 2 materijal je supravodljiv,iako postoje dijelovi tzv. vorteksi kroz koje prodire mag.polje



' 'c 2materijal je idealan dijamagnet



'E 'c3 2supravodljivost razorena

Pri*jena supravodi9a 9očetkom sedamdesetih godina završava jedno va"no razdoblje u povijesti supravodljivosti: #iziklana pojava bila je u potpunosti razjašnjena, na raspolaganju su bili materijali pogodni za široku primjenu, a prvi prototipovi novih ureaja dokazali su svoje prednosti. o, potencijalne  prednosti supravodljive tehnologije trebalo je tek nametnuti. & jedne strane postojalo je nepovjerenje prema prihva%anju supravodljivosti, zbog velikog temperaturnog neslaganja izmeu svijeta u kome se ona javlja i svakodnevnice. 9raktična uporaba supravodiča bila je ograničena na niske temperature i zahtijevala je korištenje vrlo skupog teku%eg helija, postrojenja za ukapljivanje i recikliranje helija, posebne termički izolirane posude i stručnu osposobljenost operatora za speci#ične procedure rada. & druge strane bili su ekonomski parametri: uvoenje niskih temperatura te velikih supravodljivih ureaja bilo je moguče samo ako su njihove radne

ali i ekonomske

karakteristike bile bitno povoljnije u odnosu na postoje%e klasične metode. Cbog toga je korištenje supravodljivosti i dalje bilo ograničeno na labaratorijske uvjete, gdje su ekonomski argumenti često u drugom planu. . -oenje električne struje bez gubitka energije :   

u računalima generatorima, elektomotorima, trans#ormerima u labaratoriju (elektormagneti 

3.
u labaratoriju (Flebde%i vlakoviG H odbijanje magnetskog polja H vlakovi lebde iznad tračnica. )ad se takav vlak giba ne dolazi do trenja, koje se uvijek javlja kada su dva materijala ( kotač i tračnica  u kontaktu. Trenje je izvor grijanja. +no rezultira gubitkom energije, ali i ograničava brzinu vlakova zbog opasnosti za materijal, od kojeg su načinjeni kotači. ! slučaju Flebde%ih vlakovaG trenja nema, pa se vlakovi gibaju brze i s manje



gubitaka. egativno je jedino to što se pritom koriste supravodiči hlaeni teku%im helijem, pa su takvi vlakovi jako skupi te ih zbog toga malo ima 

irada najosjetljivijeg ponatog instrumenta a mjerenje magnetskih polja. !i ure3aji su tako osjetljivi da mogu mjeriti magnetska polja nastala aktivno4u moga.

5ove primjene supravodiča e se poveati s poveanjem supravodljive temperature. Mogunost pronalaska supravodljivog materijala na sobnoj temperaturi omoguila bi njihovu upotrebu u svakodnevnom životu.

6rika supravodiča u kompjuterskoj tehnologiji i prika 7lebdeeg vlaka8

Visoote*peraturni supravodi9i

'

$uller i 7ednorz /16. godine dobili su nobelovu nagradu za otkri%e visokotemperaturne supravodljivosti u keramičkim bakrenim oksidima H novi supravodljivi vodiči.  ašli su da uzorak keramičkog oksida barija, lantana i bakra pokazuje kritičnu temperaturu supravodljivog prijelaza na 45 ). To je bilo čak 3 8 više od rekorda iz /64. godine ostvarenog na niobijevim spojevima. )asnije je postignut supravodljivi prijelaz iznad /0 )   ovi supravodljivi vodiči kruti su i krhki pa se od njih ne mogu praviti savitljive "ice.

9isokotemperaturnim

supravodičima

smatramo

supravodiče

čija

je

temperatura supravodljivog prijelaa inad : $. 6rvi visokotemperaturni supravodič otkrili su $arl M;ller i ohannes
i

bimut

stron"ij

bakar

oksid

(
!emperatura

visokotemperaturni supravodiči mora adovoljavati sljedeče uvjete* &.temperatura inad :$ koja je povjesno predvi3ena
BSC teorija &:


6rema tome Dononi urokuju stvaranje privlačnih sila me3u elektronima koje su jače od ?oulombskog odbijanja. ?ooperovi parovi su koherentni  jedni sa drugima i tvore asambl koji se kree kro re4etku be smetnji. 5a taj način nastaje neka vrsta EsuperFuidaE elektronskih parova. $ada ?ooperovi parovi prolae kro kristalnu re4etku jedan od elektrona u paru osjea prisutnost poitivnog naboja kristalne re4etke, 4to iaiva prijenos vibra"ija s jednog iona na drugi. Sve to iaiva emisiju Donona jednog elektrona i apsorp"iju Donona na drugom elektronu. #vakva imjena Donona je pro"es koji omoguuje da dva elektrona ostanu duže poveana u paru usprkos poitivnom naboju kristalne re4etke.
&&

Gakle supravodljivost u materijalima
Istraživanja =straživanja u supravodljivosti idu u 2 smjera jedan je traženje supravodiča sa 4to vi4im kritičnim tempreraturama, a drugi je obja4njavanje pojava veanih u to. Gana4nji supravodiči imaju kritične točke inad &2$ i ulaže se mnogo nov"a kako bi se otkrili supravodiči čija bi kritična točka bila inad sobne temperature. 6itanje na koji način se pojavljuje supravodljivost u visokotemperaturnim supravodičima je jedno od veih danas. -natoč intenivnim istraživanjima, mehaniam Dormiranja elektronskih parova u kristalima ostaje neponat.  edan od raloga je sama kompleksnost materijala bog kojeg je postavljanje

adekvatnog teoretskog modela

iraito težak. #d '0

5obelovih nagrada a fiku, ' ih se iravno odnosi na supravodljivost* &'&., &'02., &'12., &'1., &'1., &'1., &''0., 2::&., 2::

alju9a 

&2

&upravodiči su materijali koji vode električnu struju bez da pokazuju električni otpor tj. otpor  im je nula ili jako blizu nuli. &upravodiči se primjenjuju u s#eri visoke tehnologije, od njih se rade vrhunski elektromagneti. +dbijaju magnetsko polje tj. ponašaju se kao savršeni dijamagneti. /. +nnes je započeo seriju eksperimenata i njegovo otkri%e je mani#estacija  prvog bitnog svojstva supravodiča. /56.god. prema teoriji 7ardeena, 8oopera, &chrie##era vezivanje elektrona za osciliraju%e rešetke vodi prema #ormiranju vezanih parova elektrona. &vojstva supravodiča su da istiskuje magnetsko polje ($eissnerov e#ekt i voenje struje bez električnog otpora. &upravodiči se dijele na supravodiče < vrste te supravodiče << vrste. 9rimjenjuju u računalima, generatorima, elektomotorima, trans#ormerima, u labaratoriju (elektormagneti , za izradu najosjetljivijeg poznatog instrumenta za mjerenje magnetskih  polja.

Literatura 1%&tomi, mo'eku'e, po'uvodiči, supravod'jivost (1$), *aar +%, K, -agreb #%http./esko'a%hem%pm%hr  &

!% http:IIaviani.i#s.hrIdocIabsI00godinasupravodljivostisplit.pd# 

@. http:IIKKK.chem.pm#.hrIdoKnloadIrepositorLI&upravodljivost.pd# 

&