Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Supravodivost je jev, při kterém elektrický odpor pevného tělesa klesne na nulu a z jeho nitra je vytlačeno magnetické pole.
Supravodivost je vzrušující elektrický fenomén a velká naděje pro mnoho odvětví technologie. Ukazuje se, že při nízkých teplotách odpor některých materiálů náhle klesne na nulu. Tento efekt je znám již přes 100 let, ale jeho mechanismus stále skrývá tajemství. I když je tento jev čistě kvantový, můžete pochopit (velmi zhruba), co to je.
Proud elektrického proudu různými materiály je doprovázen vznikem elektrického odporu. To je způsobeno interakcí elektronů s atomy nebo molekulami krystalové mřížky vodiče.
Ukazuje se však, že některé materiály při velmi nízkých teplotách mohou přejít do stavu, kdy nemají vůbec žádný elektrický odpor. Tento jev, nazývaný supravodivost, objevil v roce 1911 holandský fyzik Heike Kamerling Onnes (obr. 1.). Materiál, ve kterém k tomuto jevu dochází, se nazývá supravodič.
Rýže. 1. Portrét Heike Kamerling Onnes. Nizozemský fyzik, který získal ocenění za studium vlastností látek při nejnižších teplotách a za zkapalňování helia
Ve většině případů jsou supravodiče, kromě toho, že mají nulový elektrický odpor, také ideální diamagnety. Vnější magnetické pole je vyrovnáváno elektrickými proudy tekoucími po povrchu a v důsledku toho je celkové magnetické pole uvnitř supravodiče nulové. Vypadá to, že magnetické siločáry jsou vytlačovány ze supravodiče (viz obr.rýže. 2). Tento jev se nazývá Meissnerův jev. Existují však supravodiče, u kterých magnetické pole za určitých podmínek proniká supravodičem a vytváří smíšený stav.
Rýže. 2. Grafické znázornění Meissnerova efektu, tzn. jevy vyvržení magnetického pole z nitra supravodiče
Pro informaci. Meissnerův jev (z angl. Meissnerův efekt) je vymizení magnetického pole (vyvržení magnetického pole) v supravodiči, když přejde do supravodivého stavu. Tento jev objevili v roce 1933 W alter Meisner a Robert Oxenfeld. Tento jev je základem pro určení, zda daný vodič s nulovým elektrickým odporem je supravodič.
[1]
Síly způsobené povrchovými elektrickými proudy mohou držet supravodič nad nebo pod magnetem, tzn. ve stavu levitace. Technicky jednodušší je nechat magnet levitovat nad supravodičem, jak je znázorněno na obrázku (obr. 3.).
Rýže. 3. Magnet levitující nad supravodičem. Zdroj, CC BY-SA 3.0
Shrneme-li diskusi, můžeme definovat supravodivost.
Supravodivost je jev, při kterém elektrický odpor pevného tělesa klesne na nulu a z jeho nitra je vytlačeno magnetické pole.
Jak víme, že elektrický odpor supravodiče je nulový? Když se v supravodiči indukuje vířivý elektrický proud, jeho intenzita se po mnoho let nemění, což pozorujeme ve fyzikálních laboratořích.
Problém používání supravodivosti v praxi je ten, že k tomuto jevu dochází při velmi nízkých teplotách, obvykle pod -234oC. Výzkumné skupiny však pracují na dosažení tohoto efektu při pokojové teplotě. Není těžké si představit, jak by se náš svět změnil, kdybychom mohli používat elektřinu bez jakékoli ztráty energie.
Teplota, při které se pro danou vodivou látku objevuje supravodivost, se nazývá kritická teplota (Tc). Tyto teploty jsou tak nízké, že je obtížné je dosáhnout, a udržování těles v takových podmínkách je v každém případě velmi nákladné. Musí být použito speciální chlazení, jako je kapalný dusík, kapalné helium atd. Ve 20. století byly nalezeny látky, u kterých jsou kritické teploty v průměru mnohem vyšší než u kovů (tzv. keramické aglomeráty), ale i v tomto případě jsou teploty tak nízké, že jejich údržba je nákladná.
V době psaní tohoto článku je rekordně vysoká teplota supravodivosti pouze -23oC. Toho bylo dosaženo u lanthanu hydridu. K jeho vytvoření byly lanthan a vodík umístěny do komory a vystaveny tlaku převyšujícímu atmosférický tlak o 1,7 milionu (zdroj [2]).
Materiály, ze kterých lze vyrobit supravodič, jsou různé. Jedná se o prvky, slitiny, organické a anorganické chemické sloučeniny. Stává se, že supravodivý materiál při teplotě nad kritickou je izolantem.
Jev supravodivosti nelze vysvětlit na základě klasické fyziky. Toto je kvantový efekt. Dlouho neexistovalo žádné přesvědčivé vysvětlení tohoto jevu. První teorie popisující mikroskopický mechanismus účinku byla vyvinuta v roce 1957. Jeho autoři - John Bardeen, Leon Cooper a John Schrieffer - byli oceněni Nobelovou cenou v roce 1972.
Stručně řečeno, tato teorie je založena na postulátu, že: v supravodivém stavu je elektrický proud přenášen páry elektronů s opačnými spiny.
Jednotlivé elektrony jsou fermiony (tj. částice se spinem rovným ½) a nemohou zaujímat stejné energetické stavy. Pár elektronů je však již boson (částice s celkovým spinem, v tomto případě 0) a tento zákaz se na bosony nevztahuje. Všechny mohou zaujímat nejnižší kvantovou energetickou hladinu a neúčastnit se procesu disipace energie v důsledku interakce s krystalovou mřížkou.Elektrony interagují s krystalovou mřížkou a tvoří pár, takže k tomu dochází pouze při nízkých teplotách, kdy vibrace atomů v mřížce tuto interakci neruší.
Seznam referencí
- Wikipedie
- Supravodivost při 250 K v hydridu lanthanu za vysokých tlaků
- B. L. Ginzburg, E. A. Andryushin. Supravodivost. - M.: Alfa-M, 2006.