Supravodivost a levitace

Obsah:

Úvod

Slovem supravodič nazýváme materiály, které při ochlazení pod určitou teplotu vykazují tyto dvě charakteristické vlastnosti:

Nulový odpor při vedení elektrického proudu.
Dokonalé vytěsňování magnetického pole ze svého objemu.

Jev supravodivosti objevil roku 1911 holandský fyzik Heike Kammerlingh Onnes . Důležitým předpokladem tohoto objevu byl velký pokrok v dosahování nízkých teplot, který byl učiněn nedlouho předtím právě tímto vědcem. V roce 1908 se mu podařilo zkapalnit helium na teplotu 4 stupně nad absolutní nulou, tzn. 4 Kelviny (absolutní nula, tzn. 0 K = -273,15^oC ). Toho využil k výzkumu elektrických vlastností kovů při nízkých teplotách. Při sledování odporu čisté rtuti pozoroval náhlé vymizení elektrického odporu při teplotě 4 K. Onnes rozpoznal, že je svědkem nového, dosud nepopsaného fyzikálního jevu, když sám prohlásil: „rtuť přešla do nového stavu, který na základě jeho neobyčejných elektrických vlastností lze nazývat supravodivým stavem“. V roce 1913 obdržel za tyto objevy Nobelovu cenu.

Až do roku 1933 byly supravodiče považovány jen za látky s nulovým elektrickým odporem. Tohoto roku Walther Meissner a R. Ochsenfeld objevili, že supravodiče mají rovněž schopnost dokonale vytlačovat magnetické pole ze svého objemu. Tento jev se se nazývá „perfektní diamagnetismus“, nebo po svém objeviteli Meissnerův efekt .

Postupně bylo objeveno velké množství látek se supravodivými vlastnostmi, všechny ovšem dosahovaly těchto vlastností až při velmi nízkých teplotách. V roce 1960 byl materiál s nejvyšší teplotou přechodu do supravodivého stavu (tzv. kritickou teplotou, neboli T_c) slitina niobu a germania (Nb₃Ge) s T_c = 23 K . V roce 1986 Georg Bednorz a Alex Müller, pracující v IBM v Curychu, připravili první z řady tzv. keramických supravodičů. Jimi připravený supravodič měl T_c = 35 K . Následně byly připraveny další supravodiče tohoto typu s vyššími kritickými teplotami. Již rok nato byl připravena látka s Tc = 90 K . Důležitost tohoto objevu vyplyne ze srovnání s teplotou kapalného dusíku, která je 77 K . Díky snadné dostupnosti a nízké ceně kapalného dusíku ve srovnání s kapalným heliem, bylo dosažení supravodivého stavu u těchto materiálů mnohem jednodušší. Tím byla zahájena éra tzv. „vysokoteplotních supravodičů“. Nynější nejvyšší dosažená kritická teplota je 138 K (viz Chemie).

Nulový odpor při vedení elektrického proudu

^Obsah^

Podle způsobu vedení elektrického proudu lze rozdělit látky do několika skupin:

izolanty
polovodiče
vodiče (převážně kovy)
supravodiče

Na obrázku je srovnání závislosti elektrického odporu na teplotě pro kov, klasický (nízkoteplotní) a vysokoteplotní supravodič. Při ochlazování se odpor kovu i supravodiče zmenšuje. U kovu zůstává i při ochlazení na teplotu 0 K nenulový zbytkový odpor. U supravodiče dojde při kritické teplotě ( T_c) k vymizení elektrického odporu.

Vytěsňování magnetického pole

^Obsah^

Podle chování v magnetickém poli lze rozdělit látky do několika skupin:

feromagnetické
antiferomagnetické
paramagnetické
diamagnetické – vytlačují částečně magnetické pole ze svého objemu.
Supravodiče jsou tzv. perfektní diamagnety , tzn. vytlačují magnetické pole z celého svého objemu

Supravodič, po ochlazení pod kritickou teplotu ( T_c ), vytlačuje siločáry magnetické pole ze svého objemu, jak je schématicky znázorněno na obrázku. Konkrétně k tomu dochází proto, že vnější magnetické pole indukuje na povrchu supravodivé proudy, které vytvoří magnetické pole stejné velikosti jako vnější pole ale opačného znaménka. Tím se magnetické pole uvnitř supravodiče zcela vyruší. Jestliže je magnetické pole vytvářeno magnetem umístěným blízko supravodiče, dochází k jejich vzájemnému odpuzování. Na rozdíl od odpuzování mezi dvěma magnety, ke kterému dochází pouze jsou-li natočeny souhlasnými póly, v případě magnetu a supravodiče dochází k odpuzování nezávisle na natočení magnetu.

Levitace

^Obsah^

Některé supravodiče nevykazují úplný Meissnerův jev , ale dovolují částečné pronikání magnetických siločar do svého objemu ve formě tzv. vortexů. Díky vortexům pak dochází k tomu, že magnet umístěný nad supravodičem je nejen odpuzován, ale zároveň udržován ve stabilní poloze v určité vzdálenosti od supravodiče (levitace). Takto může být magnet udržován i zavěšen pod supravodičem (magnetický závěs). Levitující magnet se může točit bez tření, zpomalovaný pouze odporem vzduchu, tzn. že ve vakuu by se točil nekonečně dlouho.Na obrázku je příklad levitace magnetu se 100 g závažím nad vysokoteplotním supravodičem YBa₂Cu₃O₇ ochlazeným pomocí kapalného dusíku. Demonstrační sada byla vyrobena firmou CAN Superconductors

Chemický vzorec a kritická teplota vybraných supravodičů

^Obsah^

Chemický vzorec	T_c		rok objevu
Hg	4 K	- 269^oC	1911
Pb	7 K	- 266^oC
Nb	9 K	- 264^oC
Nb₃Ge	23 K	- 250^oC	1960
(La,Sr)₂CuO₄	35 K	-238^oC	1986
YBa₂Cu₃O₇	90 K	-183^oC	1987
Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀	110 K	-163^oC	1988
HgBa₂Ca₂Cu₃O₈	138 K	-135^oC	1993

Struktura HgBa₂Ca₂Cu₃O₈

Příklady použití

^Obsah^

Vedení elektrické energie bez tepelných ztrát, obrovská magnetická pole umožňující vlakům levitovat, elektronické a mikrovlnné součástky ... očekávané aplikace supravodičů mohou vést k obdobné technické revoluci jako v elektronice po objevu tranzistoru.

Překážky pro běžné používání vysokoteplotních supravodičů:

Provozní teplota – součástky vyrobené z vysokoteplotních supravodičů je nutno chladit kapalným dusíkem na teplotu 77 K .
Mechanické vlastnosti – vysokoteplotní supravodiče jsou vesměs křehké keramické materiály a technologie výroby vodičů z nich je velmi náročná. V současné době se prosazují dvě cesty, (1) kombinované válcování a žíhání polykrystalického materiálu v měděné či stříbrné trubičce, (2) napařování nebo chemické nanášení tenkých vrstev supravodičů na ohebné podložky ve formě dlouhého pásku. Dnešní technologie umožňuje vyrobit supravodivé dráty či pásky i několik km dlouhé.

Příklady použití:

Přesné měření velmi malých magnetických polí pomocí speciálního obvodu ze supravodivého materiálu, tzv. SQUID ( Superconducting QUantum Interference Device ). Používá se především ve výzkumu nebo v lékařství např. v magnetoencefalografii.
Přenos elektřiny beze ztrát. Supravodivé kabely s vnitřní trubicí naplněnou kapalným dusíkem se již pokusně používají na přenos energie na kilometrové vzdálenosti.
Uchování elektrické energie pomocí cívek ze supravodivého drátu. Do takové cívky můžeme zapnout proud, poté zdroj proudu odpojit a zavedený proud teče cívkou prakticky nekonečně dlouhou dobu beze změny. V supravodivé cívce lze tak beze ztrát uchovávat elektrický proud a velmi rychle jej dodat do sítě či odebrat a tím vyrovnávat fluktuace.
Supravodivé magnety. Protože proud budí v okolí vodiče magnetické pole, je supravodivá cívkapopsaná v předešlém odstavci také zdrojem magnetického pole. To je princip supravodivého magnetu, který umožňuje vytvořit silná a stabilní magnetická pole s využitím v tomografii, urychlovačích atd.
Omezovač proudu (pojistka). Supravodiče ztrácejí své supravodivé vlastnosti nejen při překročení kritické teploty, ale rovněž při překročení kritického proudu. Této vlastnosti využívají supravodivé pojistky, což je supravodivá součástka s patřičně nastaveným kritickým proudem.
Magnetická ložiska bez tření, např. u setrvačníkových akumulátorů. Ty se mohou točit rychlostí až několik set tisíc otáček za minutu a tím dlouhodobě uchovávat energii.
Levitující vlak Maglev využívající supravodivé magnety k nadnášení a pohonu. Supravodivé magnety jsou umístěny na bocích vlaku. Vlak se pohybuje v korytu, na jehož stěnách jsou běžné cívky. Po připojení proudu se v těchto cívkách vytvoří magnetické pole, které se posouvá ve směru pohybu vlaku.