Supravodivost, jev, objev, teorie a aplikace
Supravodivost, jev, objev, teorie, aplikace, a teplota supravodivosti.
Supravodivost je vlastnost, kterou mají určité materiály absolutně nulový elektrický odpor, když dosáhnou teploty pod určitou hodnotu (tzv. kritická teplota).
Příroda, vysvětlení a teorie supravodivosti
Klasifikace, typy a použití supravodičů
Teplota supravodivosti kovů, slitiny a jiné materiály
Popis. Fenomén supravodivosti:
Supravodivost je vlastnost, že určité materiály mají absolutně nulový elektrický odpor, když dosáhnou teploty pod určitou hodnotu (tzv. kritická teplota).
Supravodivost mít kovy a jejich slitiny, polovodiče, a keramické materiály a jiné látky. Existují dokonce supravodivé slitiny a materiály s jedním z elementy nebo všichni elementyvstupující do jeho složení, nemusí to být supravodiče. Například, sulfid, sláva rtuti se zlatem a cínem.
Supravodivý stav v materiálu nenastává postupně, ale skokově - když je teplota pod kritickou hodnotou. Nad touto teplotou kov, slitina nebo jiný materiál je v normálním stavu, a pod ním - v supravodivosti. U některých látek je přechod do supravodivého stavu možný za určitých vnějších podmínek, například, po dosažení určité hodnoty tlaku.
Supravodivost jako fenomén je doprovázeno několika efekty. Velmi důležité jsou dva z nich: zmizení elektrického odporu a vyloučení magnetického toku (pole) ze své působnosti. Proto, je to zásadní nejen pro kritický proud, a kritické magnetické pole je určitá hodnota magnetického pole, při které supravodič ztrácí svoji supravodivost.
Fenomén supravodivosti lze prokázat v praxi. Pokud si vezmete dirigenta, smyčka to, uzavření elektrický obvod, ochlazení na teplotu pod kritickou hodnotu a přivedení elektrického proudu, a poté odstraňte zdroj elektrického proudu, elektrický proud v takovém vodiči bude existovat po neomezenou dobu.
Momentálně dostupný supravodiče mající vlastnost supravodivosti při pokojové teplotě.
Objev supravodivosti:
Fenomén supravodivosti byl poprvé objeven v 1911 nizozemský fyzik Heike kamerlingh Onnes zkoumáním závislosti elektrického odporu kovů na teplotě.
Extrémně nízké teploty, o které se začal zajímat 1893, když založil kryogenní laboratoř.
v 1908 podařilo se mu získat tekuté hélium.
Chlazení s tím, kovová rtuť, překvapilo ho, když zjistil, že při teplotě blízké absolutní nule (4,15 K.), elektrický odpor (R) rtuti náhle klesne na nulu.
v 1912 byly objeveny dva kovy v supravodivém stavu při nízkých teplotách, olovo a cín.
Následně byl otevřen i další supravodiče.
Příroda, vysvětlení a teorie supravodivosti:
Je třeba poznamenat, že plně uspokojivé teorie supravodivosti momentálně chybí.
v 1957, Jiří. Bardin, L. Cooper a J.. Sniffer navrhl takzvanou teorii BCS (Bardeen - Cooper - shriffer).
Elektrický proud je pohyb elektronů. V konvenčním vodiči, elektrony se pohybují jednotlivě a nezávisle a překonávají různé překážky, které mu stojí v cestě. Během pohybu, srazí se navzájem a s krystalovou mřížkou a ztratí její energii. Tím pádem, ve vodiči kvůli různým překážkám elektrické odpor.
Elektrony se za normálních podmínek otáčejí a mají hodnotu -1/2 nebo +1/2. Ale za určitých podmínek (když je teplota pod kritickou hodnotou), tvoří pár. Elektrony s opačnými hodnotami rotace jsou navzájem přitahovány. Tyto vzdělané páry se také nazývají Cooperovým párem. Tento pár má nulovou rotaci a dvojnásobný náboj elektronů. Protože celková rotace tohoto páru se rovná nule, pak má vlastnosti bosonu. Bosony tvoří a kondenzát Bose-Einstein, připojil se ke všem bosonům zdarma, a jsou ve stejném kvantovém stavu. Stávají se jednou entitou, schopný pohybu bez srážky s mřížkou a zbývajícími elektrony, to je, bez ztráty energie, bez elektrického odporu. Existuje tedy účinek supravodivosti.
nicméně, tato teorie nemůže vysvětlit supravodivost při vysokých teplotách (vysokoteplotní supravodivost).
Klasifikace, typy supravodičů:
Při kritické teplotě jsou supravodiče rozděleny na nízké teploty, pokud je kritická teplota nižší 77 K. (-196 ° C) a vysoká teplota.
Teplota separace je bod varu dusíku, který je 77.4 K. (-195,75 ° C).
Toto rozdělení má praktickou hodnotu. V prvním případě, z chlazení se vyrábí kapalné nebo plynné hélium, a v druhém případě - levnější kapalný nebo plynný dusík.
Odezvou supravodičů na magnetické pole jsou supravodiče supravodičů typu I a II.
Supravodiče prvního druhu k dosažení pouze určité hodnoty magnetického pole (tzv. kritické magnetické pole Hc) ztratí svoji supravodivost. K této hodnotě magnetického pole kolem supravodiče, a to - proniká a vodič ztrácí supravodivost.
Supravodiče typu II mají dvě kritické hodnoty magnetického pole Hc1 a Hc2. Když magnetické pole první kritické hodnoty Hc1 dochází k částečnému průniku magnetického pole do těla supravodiče, ale supravodivost byla zachována. Nad druhým kritickým polem Hc2, supravodivost je zcela zničena. Magnetická pole od první do druhé kritické hodnoty v supravodiči mají vířivou strukturu magnetický pole.
Materiál supravodičů je rozdělen na čisté prvky, slitiny, keramika, supravodiče na bázi železa, organické supravodiče, atd.
Teplota supravodivosti kovů, slitiny a jiné materiály:
| Materiály | Kritická teplota, K. | Kritická pole (v 0 K.), GS (E*) | |
| Supravodiče 1. druhu | Hc | ||
| Rhodium | 0,000325 | 0,049 | |
| Wolfram | 0,012 | 1* | |
| Hafnium | 0,37 | - ** | |
| Titan | 0,39 | 60 | |
| Ruthenium | 0,47 | 46* | |
| Kadmium | 0,52 | 28 | |
| Kubický zirkon | 0,55 | 65* | |
| Osmium | 0,71 | 46,6* | |
| Uran | 0,8 | - ** | |
| Zinek | 0,85 | 53 | |
| Rhodium | 0,9 | - ** | |
| Gallium | Z 1.08 | 59 | |
| Hliník | 1,2 | 100* | |
| Rhenium | 1,7 | 188* | |
| Dvouvrstvý grafen | ~1,7 | 500 | |
| Slitina AI-Bi | 1,84 | - ** | |
| Thalium | 2,37 | 180 | |
| Indium | 3,41 | 280 | |
| Věřte | 3,72 | 305 | |
| Rtuť | 4,15 | 411 | |
| Tantal | 4,5 | 830* | |
| Vanadium | 4,89 | 1340* | |
| Vést | 7,19 | 803 | |
| Technecium | 11,2 | - ** | |
| H2S (sirovodík) | 203 pod tlakem 150 GPA | 720 000 | |
| Supravodiče druhého druhu | Hc1 | Hc2 | |
| Niob | 9,25 | 1735 | 4040 |
| Nb3Sn | 18,1 | – | 220 000 |
| Nb3Ge | 23,2 | – | 400 000 |
| Pb1Mo5,1S6 | 14.4 PROTI | – | 600 000 |
| YBa2Cu3O7 | 93 | 1000*** | 1 000 000*** |
| HgBa2Ca2Cu3O8 + x | 135 | - ** | - ** |
Poznámka k tabulce:
* pro materiály, které jsou označeny * kritická hodnota pole uvedená v OE (Oersted), ke zbytku GS (Gauss).
** - žádná data.
*** Extrapolováno na absolutní nulu.
Vlastnosti supravodičů:
1. Nulový elektrický odpor.
Přesně řečeno, odpor supravodičů je nulový pouze pro konstantní elektrický proud. Odpor supravodičů při jejich průchodu střídavým proudem je nulový a zvyšuje se s rostoucí teplotou.
2. Kritická teplota supravodičů.
3. Supravodiče kritického magnetického pole.
Tato hodnota magnetického pole, nad kterým supravodič ztrácí supravodivost a stává se charakteristikou normálního stavu normálního vodiče.
Hodnota kritického magnetického pole se liší v závislosti na materiálu supravodiče a může se pohybovat od několika desítek Gauss do několika stovek tisíc Gauss. V tabulce hodnot supravodivosti materiálů označuje kritické magnetické pole při teplotě absolutní nuly (0 K.).
Kritická magnetická kritická teplota spolu souvisí. Když teplota kritického magnetického pole supravodiče klesá. Teplota přechodu ze supravodivého stavu do normálního stavu kritického magnetického pole je nulová, a při absolutní nule je to možné.
Závislost kritického pole na teplotě s dobrou přesností je popsána výrazem:
NS(T) = FNL · (1 - T2 / Tc2)
kde NS(T), kritické magnetické pole při dané teplotě, NSO - kritické pole při nulové teplotě, T je zadaná teplota, TC - kritická teplota.
Pro supravodiče typu II, určíme dvě hodnoty magnetického pole. Je také snadné vidět, jaké obří pole dokáže odolat supravodičům typu II, aniž by zničilo supravodivost.
4. Kritický proud v supravodičích.
Tato hodnota je maximální stejnosměrný proud, který vydrží supravodič bez ztráty supravodivého stavu. Při překročení této hodnoty, supravodič ztrácí supravodivost.
Jako kritické magnetické pole, kritický proud je nepřímo úměrný teplotě, s jeho nárůstem klesá.
5. Vyloučení magnetického pole supravodičem z jeho objemu.
Tento jev byl nazýván Meissnerovým efektem podle jména objevitele.
Meissnerův efekt znamená úplné vyloučení magnetické pole z objemu vodiče při jeho přechodu do supravodivého stavu. Uvnitř supravodiče je magnetizace rovna nule. Poprvé byl tento jev pozorován v 1933, němečtí fyzici W. Meissner a R.. Oxfield.
nicméně, ne všechny supravodiče existuje úplný Meissnerův efekt. Látky vykazující úplný Meissnerův efekt se nazývají supravodiče prvního druhu a frakční - supravodiče druhého druhu. U supravodičů magnetické pole v rozsahu hodnot Hc1 - Hc2 proniká a působí ve formě abrikosovských vírů. nicméně, je třeba poznamenat, že v nízkých magnetických polích (nižší hodnoty Hc a Hc1 ) dokončit Meissnerův efekt mají všechny typy supravodičů.
Absence magnetického pole v objemu supravodiče to znamená elektrický proud teče pouze v povrchové vrstvě supravodiče.
6. Hloubka průniku.
Jedná se o vzdálenost, ve které magnetický tok proniká supravodičem. Typicky, tato hodnota se nazývá hloubka penetrace andonovski (po londýnských bratrech).
Hloubka průniku je funkcí teploty, je jí přímo úměrná a liší se v různých materiálech.
Na základě akcí Meissnerova jevu, magnetické pole je vytlačováno ze supravodiče proudy cirkulujícími v jeho povrchové vrstvě, jehož tloušťka se přibližně rovná hloubce průniku. Tyto proudy vytvářejí magnetické pole, které kompensiruet pole aplikované zvenčí, nedovolit mu dostat se dovnitř.
Po dosažení magnetického pole kritické hodnoty plně proniká do hloubky průniku a zachycuje celý supravodič.
7. Délka koherence.
To je vzdálenost, při které elektrony vzájemně reagují, vytvoření supravodivého stavu. Elektrony v rámci délky koherence se pohybují ve shodě - koherentně (jako kdyby “nahoru”).
8. Specifické teplo.
Tato hodnota ukazuje množství tepla potřebné ke zvýšení teploty 1 gram látky 1 K..
Specifické teplo supravodiče náhle (náhle) se zvyšuje v blízkosti teploty přechodu do supravodivého stavu, a rychle (náhle) klesá s klesající teplotou. Jinými slovy, v přechodové oblasti vyžaduje zvýšení teploty látky v supravodivém stavu více tepla než obvykle, a při velmi nízkých teplotách - naopak.
Aplikace supravodivosti:
- získat silné magnetické pole. Od průchodu supravodiče k silným proudům, vytváření silného magnetického pole, žádné tepelné ztráty. Pro získání silných magnetických polí se používají supravodiče typu II, protože kritické magnetické pole HC2 je pro ně velmi velké,
v elektrických kabelech a elektrických vedeních (elektrické vedení). Tak, jeden tenký elektrický kabel ze supravodiče schopný přenášet elektrický proud pro přenos je obvykle vodič musí mít značnou velikost (průměr),
- v silnoproudých generátorech a motory,
- v měřicích přístrojích,
v Maglie (magnetický levitační vlak).
© Foto ,
