Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Supravodivosť je jav, pri ktorom elektrický odpor pevného telesa klesne na nulu a z jeho vnútra sa vytlačí magnetické pole.
Supravodivosť je vzrušujúci elektrický jav a veľká nádej pre mnohé odvetvia technológie. Ukazuje sa, že pri nízkych teplotách odpor niektorých materiálov zrazu klesne na nulu. Tento efekt je známy už vyše 100 rokov, no jeho mechanizmus stále skrýva tajomstvá. Hoci je tento jav čisto kvantový, môžete pochopiť (veľmi zhruba), čo to je.
Tok elektrického prúdu cez rôzne materiály je sprevádzaný vznikom elektrického odporu. Je to spôsobené interakciou elektrónov s atómami alebo molekulami kryštálovej mriežky vodiča.
Ukazuje sa však, že niektoré materiály pri veľmi nízkych teplotách môžu prejsť do stavu, v ktorom nemajú vôbec žiadny elektrický odpor. Tento jav, nazývaný supravodivosť, objavil v roku 1911 holandský fyzik Heike Kamerling Onnes (obr. 1.). Materiál, v ktorom sa tento jav vyskytuje, sa nazýva supravodič.
Ryža. 1. Portrét Heike Kamerling Onnes. Holandský fyzik, ktorý získal ocenenie za štúdium vlastností látok pri najnižších teplotách a za skvapalňovanie hélia
Vo väčšine prípadov sú supravodiče, okrem toho, že majú nulový elektrický odpor, tiež ideálne diamagnety. Vonkajšie magnetické pole je vyvážené elektrickými prúdmi prúdiacimi po povrchu a v dôsledku toho je celkové magnetické pole vo vnútri supravodiča nulové. Vyzerá to, že siločiary magnetického poľa sú vytlačené zo supravodiča (pozri obr.ryža. 2). Tento jav sa nazýva Meissnerov efekt. Sú však supravodiče, pri ktorých magnetické pole za určitých podmienok prenikne do supravodiča a vytvorí zmiešaný stav.
Ryža. 2. Grafické znázornenie Meissnerovho efektu, t.j. javy vyvrhnutia magnetického poľa z vnútra supravodiča
Pre referenciu. Meissnerov efekt (z angl. Meissnerov efekt) je zánik magnetického poľa (vyvrhnutie magnetického poľa) v supravodiči, keď prejde do supravodivého stavu. Tento jav objavili v roku 1933 W alter Meisner a Robert Oxenfeld. Tento jav je základom pre určenie, či daný vodič s nulovým elektrickým odporom je supravodič.
[1]
Sily spôsobené povrchovými elektrickými prúdmi môžu držať supravodič nad alebo pod magnetom, t.j. v stave levitácie. Technicky jednoduchšie je nechať magnet levitovať nad supravodičom, ako je znázornené na obrázku (obr. 3.).
Ryža. 3. Magnet levitujúci nad supravodičom. Zdroj, CC BY-SA 3.0
Zhrnutím diskusie môžeme definovať supravodivosť.
Supravodivosť je jav, pri ktorom elektrický odpor pevného telesa klesne na nulu a z jeho vnútra sa vytlačí magnetické pole.
Ako vieme, že elektrický odpor supravodiča je nulový? Keď sa v supravodiči indukuje vírivý elektrický prúd, jeho intenzita sa dlhé roky nemení, čo pozorujeme vo fyzikálnych laboratóriách.
Problém s využitím supravodivosti v praxi je, že tento jav sa vyskytuje pri veľmi nízkych teplotách, zvyčajne pod -234oC. Výskumné skupiny však pracujú na dosiahnutí tohto účinku pri izbovej teplote. Nie je ťažké si predstaviť, ako by sa náš svet zmenil, keby sme mohli využívať elektrinu bez akejkoľvek straty energie.
Teplota, pri ktorej sa pre danú vodivú látku objavuje supravodivosť, sa nazýva kritická teplota (Tc). Tieto teploty sú také nízke, že je ťažké ich dosiahnuť, a udržiavanie tiel v takýchto podmienkach je v každom prípade veľmi nákladné. Musí sa použiť špeciálne chladenie, ako je tekutý dusík, tekuté hélium atď. V 20. storočí sa našli látky, pre ktoré sú kritické teploty v priemere oveľa vyššie ako pre kovy (tzv. keramické aglomeráty), ale aj v tomto prípade sú teploty také nízke, že ich údržba je nákladná.
V čase písania tohto článku je rekordne vysoká teplota supravodivosti iba -23oC. Toto sa dosiahlo pre hydrid lantánu. Na jeho vytvorenie sa lantán a vodík umiestnili do komory a vystavili sa tlaku prekračujúcemu atmosférický tlak o 1,7 milióna (zdroj [2]).
Materiály, z ktorých je možné vyrobiť supravodič, sú rôzne. Sú to prvky a zliatiny, organické a anorganické chemické zlúčeniny. Stáva sa, že supravodivý materiál pri teplote nad kritickou teplotou je izolant.
Fenomén supravodivosti nie je možné vysvetliť na základe klasickej fyziky. Toto je kvantový efekt. Dlho neexistovalo presvedčivé vysvetlenie tohto javu. Prvá teória opisujúca mikroskopický mechanizmus účinku bola vyvinutá v roku 1957. Jeho autori - John Bardeen, Leon Cooper a John Schrieffer - boli ocenení Nobelovou cenou v roku 1972.
V skratke, táto teória je založená na postuláte, že: v supravodivom stave je elektrický prúd prenášaný pármi elektrónov s opačnými spinmi.
Jednotlivé elektróny sú fermióny (tj častice so spinom rovným ½) a nemôžu zaberať rovnaké energetické stavy. Pár elektrónov je však už bozón (častica s celkovým spinom, v tomto prípade 0) a tento zákaz sa na bozóny nevzťahuje. Všetky môžu zaberať najnižšiu kvantovú energetickú hladinu a nezúčastňovať sa procesu disipácie energie v dôsledku interakcie s kryštálovou mriežkou.Elektróny interagujú s kryštálovou mriežkou a tvoria pár, takže k tomu dochádza iba pri nízkych teplotách, keď vibrácie atómov v mriežke neinterferujú s touto interakciou.
Zoznam referencií
- Wikipedia
- Supravodivosť pri 250 K v hydride lantanitom pri vysokých tlakoch
- B. L. Ginzburg, E. A. Andryushin. Supravodivosť. - M.: Alfa-M, 2006.