Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Supravodljivost je pojava u kojoj električni otpor čvrstog tijela pada na nulu, a magnetsko polje se istiskuje iz njegove unutrašnjosti.
Supravodljivost je uzbudljiv električni fenomen i velika nada za mnoge grane tehnologije. Ispostavilo se da na niskim temperaturama otpor nekih materijala odjednom pada na nulu. Ovaj učinak poznat je više od 100 godina, ali njegov mehanizam još uvijek krije tajne. Iako je ovaj fenomen čisto kvantni, možete razumjeti (vrlo grubo) o čemu se radi.
Protok električne struje kroz različite materijale praćen je pojavom električnog otpora. To je zbog interakcije elektrona s atomima ili molekulama kristalne rešetke vodiča.
Ispostavilo se, međutim, da neki materijali na vrlo niskim temperaturama mogu prijeći u stanje u kojem nemaju nikakav električni otpor. Ovaj fenomen, nazvan supravodljivost, otkrio je 1911. godine nizozemski fizičar Heike Kamerling Onnes (slika 1.). Materijal u kojem se javlja ova pojava naziva se supravodič.
Riža. 1. Portret Heike Kamerling Onnes. Nizozemski fizičar koji je dobio nagradu za proučavanje svojstava tvari na najnižim temperaturama i za ukapljivanje helija
U većini slučajeva, supravodiči, osim što imaju nulti električni otpor, također su idealni dijamagneti. Vanjsko magnetsko polje je uravnoteženo električnim strujama koje teku preko površine, i kao rezultat toga, ukupno magnetsko polje unutar supravodiča je nula. Izgleda kao da se linije magnetskog polja potiskuju iz supravodiča (vidi sl.riža. 2). Taj se fenomen naziva Meissnerov efekt. Međutim, postoje supravodiči kod kojih magnetsko polje, pod određenim uvjetima, prodire u supravodič i stvara miješano stanje.
Riža. 2. Grafički prikaz Meissnerovog efekta, t.j. fenomeni izbacivanja magnetskog polja iz unutrašnjosti supravodiča
Za referencu. Meissnerov efekt (od engl. Meissner effect) je nestanak magnetskog polja (izbacivanje magnetskog polja) u supravodiču kada on prijeđe u supravodljivo stanje. Ovaj fenomen su 1933. godine otkrili W alter Meisner i Robert Oxenfeld. Ovaj fenomen je osnova za određivanje je li dani vodič s nultim električnim otporom supravodič.
[1]
Sile uzrokovane površinskim električnim strujama mogu držati supravodič iznad ili ispod magneta, tj. u stanju levitacije. Tehnički je lakše natjerati magnet da levitira iznad supravodiča, kao što je prikazano na slici (Sl. 3.).
Riža. 3. Magnet koji levitira nad supravodičem. Izvor, CC BY-SA 3.0
Rezimirajući raspravu, možemo definirati supravodljivost.
Supravodljivost je pojava u kojoj električni otpor čvrstog tijela pada na nulu, a magnetsko polje se istiskuje iz njegove unutrašnjosti.
Kako znamo da je električni otpor supravodiča jednak nuli? Kada se u supravodiču inducira vrtložna električna struja, njezin se intenzitet ne mijenja godinama, što opažamo u fizikalnim laboratorijima.
Problem s korištenjem supravodljivosti u praksi je taj što se ovaj fenomen događa na vrlo niskim temperaturama, obično ispod -234oC. Međutim, istraživačke skupine rade na postizanju ovog učinka na sobnoj temperaturi. Nije teško zamisliti kako bi se naš svijet promijenio kada bismo mogli koristiti električnu energiju bez ikakvog gubitka energije.
Temperatura na kojoj se pojavljuje supravodljivost za određenu vodljivu tvar naziva se kritična temperatura (Tc). Te su temperature toliko niske da ih je teško postići, a držanje tijela u takvim uvjetima je u svakom slučaju vrlo skupo. Mora se koristiti posebno hlađenje, kao što je tekući dušik, tekući helij itd. U 20. stoljeću pronađene su tvari za koje su kritične temperature u prosjeku puno više od onih za metale (tzv. keramički aglomerati), ali iu tom slučaju temperature su toliko niske da je njihovo održavanje skupo.
U vrijeme pisanja, rekordno visoka temperatura supravodljivosti je samo -23oC. To je postignuto za lantan hidrid. Kako bi ga stvorili, lantan i vodik stavljeni su u komoru i podvrgnuti tlaku koji je premašivao atmosferski tlak za 1,7 milijuna (izvor [2]).
Materijali od kojih se može napraviti supravodič su različiti. To su elementi, te legure, organski i anorganski kemijski spojevi. Dešava se da supravodljivi materijal na temperaturi iznad kritične bude izolator.
Fenomen supravodljivosti ne može se objasniti na temelju klasične fizike. Ovo je kvantni učinak. Dugo vremena nije bilo uvjerljivog objašnjenja za ovaj fenomen. Prva teorija koja opisuje mikroskopski mehanizam učinka razvijena je 1957. godine. Njegovi autori - John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer - dobili su Nobelovu nagradu 1972.
Ukratko, ova se teorija temelji na postulatu da: u supravodljivom stanju električnu struju prenose parovi elektrona sa suprotnim spinovima.
Pojedinačni elektroni su fermioni (tj. čestice sa spinom jednakim ½) i ne mogu zauzimati ista energetska stanja. Međutim, par elektrona je već bozon (čestica s ukupnim spinom, u ovom slučaju 0), a ova se zabrana ne odnosi na bozone. Svi oni mogu zauzeti najnižu kvantnu razinu energije i ne sudjelovati u procesu disipacije energije zbog interakcije s kristalnom rešetkom.Elektroni u interakciji s kristalnom rešetkom tvore par, pa se to događa samo pri niskim temperaturama, kada vibracije atoma u rešetki ne ometaju ovu interakciju.
Popis referenci
- Wikipedia
- Supravodljivost na 250 K u lantan hidridu pod visokim tlakom
- B. L. Ginzburg, E. A. Andryushin. Supravodljivost. - M.: Alfa-M, 2006.