Nadprzewodnictwo

Z Wikipedii

Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym, że w pewnych warunkach ma on zerową rezystancję. Innymi ważnymi zjawiskami zachodzącymi w nadprzewodnikach są: wypychanie pola magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie strumienia magnetycznego przechodzącego przez nadprzewodzącą pętle. Większość przewodników wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K (-273,15°C).

Spis treści 1 Podstawy fizyczne zjawiska 2 Poszukiwania i zastosowania materiałów nadprzewodzących 3 Rodzaje nadprzewodnictwa 4 Zobacz też

[edytuj] Podstawy fizyczne zjawiska

Należy zwrócić uwagę, że zerowa oporność elektryczna nie wystarczy do zdefiniowania nadprzewodnictwa. Materiały charakteryzujące się zerowym oporem elektrycznym nazywa się idealnymi przewodnikami. Co więcej, w stanie nadprzewodnictwa opór elektryczny dla nośników prądu (ale nie dla par Coopera) jest nadal niezerowy! Poprawne określenie wymaga spełnienia jednocześnie dwóch warunków

• zaniku oporu elektrycznego
• doskonałego diamagnetyzmu materiałów nadprzewodzących (zwanym efektem Meissnera).

Istnieją także nadprzewodniki, w których w pary Coopera łączą się nie elektrony lecz dziury. Przewodnictwo dziurowe wykazuje większość nadprzewodników drugiego rodzaju (wyjątkiem jest np. Nd_2-xCe_xCu_4-δ).

Zgodnie z prawem Ohma, podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik na przewodniku powstaje pewien spadek napięcia, a z powodu niezerowego oporu elektrycznego wydziela się energia w postaci ciepła.

Obecnie stosowanym modelem opisu nadprzewodnictwa jest teoria BCS zakładająca, że jest to proces kolektywny, pojawiający się jako efekt zaniku drgań anharmonicznych sieci krystalicznej materiału w niskiej temperaturze. Prowadzi to do pojawienia się sprzężenia pomiędzy elektronami przewodnictwa i stanami fononowymi w sieci krystalicznej. Sprzężenie to pozwala na "sparowanie" elektronów w tzw. pary Coopera. Para Coopera to rodzaj wzbudzenia elektronowo-fononowego: są to dwa elektrony związane ze sobą dzięki oddziaływaniu z siecią krystaliczną, czyli wymianie fononów.

Pary Coopera, będące bozonami, mogą się skondensować na jednym poziomie energetycznym. Dla materiałów nadprzewodzących poziom ten jest odseparowany od innych poziomów przerwą energetyczną oraz charakteryzuje się niezerowym pędem: pary się poruszają. W niskiej temperaturze żadna z par nie może się "wyswobodzić", bo musiałaby pokonać przerwę energetyczną, a to wymaga energii, która w normalnym materiale jest dostarczana dzięki drganiom anharmonicznym sieci krystalicznej. W niskiej temperaturze drgania te jednak nie występują, obecne są tylko drgania harmoniczne.

W efekcie pary są trwałe i muszą się poruszać: tak powstaje ruch ładunków i stąd wynika jego odporność na zaburzenia. Istotą zjawiska nadprzewodnictwa jest jego kolektywny charakter oraz fakt, że nośnikami prądu elektrycznego są w nadprzewodnikach pary elektronowe o ładunku 2e. Szczątkowy opór elektryczny nie może doprowadzić do rozpraszania par Coopera, gdyż nie jest możliwe pokonanie przerwy energetycznej w ten sposób i nie istnieją tym samym stany kwantowe do jakich miałaby się para rozproszyć.

[edytuj] Poszukiwania i zastosowania materiałów nadprzewodzących

Ciągle poszukuje się substancji o jak najniższej rezystywności. Obecnie substancjami o najniższej rezystywności w temperaturze pokojowej są srebro i miedź.

Podczas analizy właściwości metali i stopów zauważono, że ich rezystywność maleje wraz z temperaturą. W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu niektóre substancje stają się nadprzewodnikami, co potwierdzono empirycznie (bez źródła napięcia utrzymano przepływ stałej wartości prądu w pętli przez około 2 lata, przerywając po tym czasie doświadczenie jako zbyt kosztowne). Do substancji takich należą aluminium, cyna oraz wiele innych metali i niektóre półprzewodniki. Dobre właściwości mają również spieki i związki miedzi i tlenu. Nadprzewodnictwo nie występuje w metalach szlachetnych (złoto, srebro) i ferromagnetykach (żelazo i jego stopy).

Postęp nauki przyczynia się do poznawania substancji, które umożliwiają bezstratny przepływ prądu w coraz wyższych temperaturach. Wciąż jednak jest to temperatura zbyt niska dla praktycznych zastosowań i wykorzystanie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w masowych zastosowaniach. Oczekuje się odkrycia taniego nadprzewodnika, który pracowałby w temperaturze normalnej (a więc do ok. 20 °C).

Tym niemniej nadprzewodniki działające w temperaturze ciekłego helu są już praktycznie wykorzystywane w szczególnych sytuacjach. Przykładem są tu nadprzewodnikowe elektromagnesy stosowane w aparatach NMR, w których generują one bardzo silne pola magnetyczne przy niewielkim poborze mocy, potrzebnym głównie do pompowania ciekłego helu. Podobne elektromagnesy są też stosowane w przemysłowych generatorach plazmy oraz w akceleratorach cząstek elementarnych.

[edytuj] Rodzaje nadprzewodnictwa

Metal	TC [K]	TC [°C]
Al	1,2	-271,95
In	3,4	-269,75
Sn	3,7	-269,45
Hg	4,2	-268,95
Ta	4,5	-268,65
V	5,4	-267,75
Pb	7,2	-265,95
Nb	9,3	-263,85

Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje nadprzewodnictwa:

• nadprzewodnictwo niskotemperaturowe - odkryte w 1911 przez holenderskiego fizyka Kamerlingha-Onnesa (Nagroda Nobla w 1913) dla rtęci. Występuje w temperaturach poniżej 30 kelwinów, dla czystych metali i stopów metalicznych będących w większości nadprzewodnikami I rodzaju. Nadprzewodnictwo to jest dobrze opisywane przez teorię BCS.
• nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe - zaproponowane przez Georga Bednorza i Múllera w 1986 roku. Występuje w temperaturze powyżej 30 kelwinów, ten typ nadprzewodnictwa wykazują materiały tlenkowe o charakterze ceramik i będące nadprzewodnikami II rodzaju. Na razie nie ma teorii wyjaśniającej to zjawisko. Najwyższa temperatura krytyczna wynosi obecnie 138 K (-135,15°C) dla związku (Hg_0.8Tl_0.2)Ba₂Ca₂Cu₃O_8.33.

Podjęto próbę opisania nadprzewodnictwa teorią fenomenologiczną zbliżoną do zależności stosowanych w termodynamice. Przejście między stanem normalnym oraz stanem nadprzewodnictwa potraktowano jako przejście fazowe, takie jak np. skraplanie się gazu. W ten sposób powstała teoria nadprzewodnictwa Ginsburga-Landaua.

[edytuj] Zobacz też

• Dipol
• Pole elektromagnetyczne
• Pole indukcji elektrostatycznej
• Półprzewodnik
• Przenikalność dielektryczna
• Przewodnik elektryczny
• Przewodnictwo elektryczne