Úvod | El. odpor | Magnetismus | Levitace | Chemie | Využití | Odkazy
Slovem supravodič nazýváme materiály, které při ochlazení pod určitou teplotu vykazují tyto dvě charakteristické vlastnosti:
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 = -273,15oC ). 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 Tc ) slitina niobu a germania (Nb3Ge) s Tc = 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 Tc = 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).
Podle způsobu vedení elektrického proudu lze rozdělit látky do několika skupin:
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 ( Tc ) k vymizení elektrického odporu.
Podle chování v magnetickém poli lze rozdělit látky do několika skupin:
Supravodič, po ochlazení pod kritickou teplotu ( Tc ), 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.
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 | Tc | rok objevu | |
|---|---|---|---|
| Hg | 4 K | - 269oC | 1911 |
| Pb | 7 K | - 266oC | |
| Nb | 9 K | - 264oC | |
| Nb3Ge | 23 K | - 250oC | 1960 |
| (La,Sr)2CuO4 | 35 K | -238oC | 1986 |
| YBa2Cu3O7 | 90 K | -183oC | 1987 |
| Bi2Sr2Ca2Cu3O10 | 110 K | -163oC | 1988 |
| HgBa2Ca2Cu3O8 | 138 K | -135oC | 1993 |
Struktura HgBa2Ca2Cu3O8
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.
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.
SQUID používaný ve Fyzikálním ústavu k měření magnetických vlastností supravodičů a jiných materiálů
Supravodivý pásek může vést stejný proud jako měděný kabel 100x většího průřezu.
Maglev dosahuje při zkušebním provozu rychlosti nad 500 km/h.
Copyright © 2008-2014, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
