Nadprzewodnictwo. Z definicji jest to zjawisko gwałtownego zaniku oporu elektrycznego ,w niektórych metalach lub w stopach w bardzo niskich temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Ale powszechnie wiadomo, że to zjawisko jest dużo ciekawsze niż jej słownikowa definicja. Nadprzewodnictwo odkryte 1911 roku w H.Komerl.... jest niewątpliwie jedno z najważniejszych fascynacji fizyków XX w. Świadczą o tym m.in. liczba nagród Nobla przyznanym fizykom zajmujacych się nadprzewodnictwem. Rozdano 5 statułetek m.in. dla H.K.O w1913 roku i w 1987 dla odkrywcy nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego J.Georga Bendorza i aleksandra Mullera.. Dowodem na potwierdzenie tego zjawiska było przeprowadzenie doświadczenia z pierścieniem ołowianym, utrzymanym w temperaturze ciekłego helu. Po indukcyjnym wywołaniu w nim przepływu prądu elektrycznego płyną on blisko 3 lata bez zauważalnej zmiany natężenia. Po upływie tego czasu doświadczenie przerwano. Nadprzewodnictwo jest zjawiskiem elektrycznym, ponieważ jest związane z nim zanik oporu elektrycznego poniżej temperatury krytycznej. jest również zjawiskiem magnetycznym jeśli weźmiemy pod uwagę zanik pola magnetycznego wewnątrz materiału nadprzewodzącego.
Najważniejszymi cechami nadprzewodników są przede wszystkim:
- zanik oporu elektrycznego
- spadek podatności magnetycznej
- wystąpienie absorpcji mikrofalowej
Już Kamerling-Onnes po odkryciu nadprzewodnictwa stwierdził, że zewnętrzne pole magnetyczne obniża gęstość prądu nadprzewodzącego, a powyżej pewnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego, zwanym polem krytycznym Hc, nadprzewodnictwo zanika. W polu krytycznym następuje przejście od stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego, mimo że materiał jest ochładzany do temperatury niższej od temperatury krytycznej.
Bardzo ważnymi parametrami charakteryzującym nadprzewodniki są prąd krytyczny oraz temperatura krytyczna. Prąd krytyczny jest to prąd elektryczny o natężeniu powodującym zanik zjawiska nadprzewodnictwa, natomiast temperatura krytyczna jest to temperatura po przekroczeniu, której nadprzewodnik raptownie traci właściwości nadprzewodzące. Nadprzewodniki możemy podzielić na nadprzewodniki I i II rodzaju.
Nadprzewodniki II rodzaju charakteryzują się dwoma polami krytycznymi. W polu magnetycznym niższym od pierwszego pola krytycznego Hc1 strumień pola magnetycznego nie wnika do próbki - mamy do czynienia z pełnym zjawiskiem Meissnera, podobnie jak w przypadku nadprzewodników I rodzaju. gdy pole magnetyczne przekroczy wartość HC1 w próbce pojawia sie tzw. stan mieszany bedącym współistnieniem obszarów nadprzewodzących i normalnych. pole magnetyczne częściowo wnika do próbki. stan mieszany zanika, gdy pole magnetyczne przekroczy wartość drugiego pola krytycznego Hc2. wówczas cała próbka znajduje się w stanie normalnym. Do nadprzewodnika, będącego w stanie mieszanym pole wnika w postaci nici strumienia magnetycznego otoczonych wirem pradu nadprzedodzacego. Wewnątrz każdej nici natężenie pola magnetycznego jest duże i material znajduje się tam w stanie normalnym. w obszarach połozonych poza nićmi próbka znjaduje się w satnie nadprzewodzącym.
Właściwości magnetyczne i elektryczne nadprzewodników sciśle wiążą się ze sobą: w przypadku nadprzewodników I rodzaju pole krytyczne odpowiada prądowi krytycznemu płynącemyu na powierzchni próbki. w nadprzewodnikach II rodzaju jednak sprawa jest bardziej skomplikowana; juz po przekroczeniu pierwszego pola krytycznego w nadprzewodniku pojawiają się wiry, których ruch wywołuje dodatkowe straty i prowadzi do pojawienia się oporności. zjawisko to powoduje, że rzeczywista gestośc prądu krytycznego jest znacznie niższa niz gęstość odpowiadając osiągnięciu wyższego pola krytycznego Hc2
Najważniejszym odkryciem w dziedzinie nadprzewodnictwa było odkrycie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. umownie nazwano materiały zachowujace nadprzewodnictwo w temperaturze ciekłego azotu ( 77k)..
Od chwili odkrycia nadprzewodnictwa trwają poszukiwania materiałów o jak najwyższej wartości Tc, najlepiej równej w przybliżeniu temperaturze pokojowej. Marzeniem każdego badacza nadprzewodnictwa jest odkrycie substancji pozostających nadprzewodnikami w temperaturze pokojowej, a więc nie wymagających żadnego chłodzeni. Niewątpliwie przełom nastąpiłwiosną1986 r. Georg Bednorz i AlexMueller, pracujący w laboratorium firmy IBM pod Zurychem zaobserwowali zanik oporu w bardzo dziwnym materiale. był to tlenek zawierający miedź, lantan i bar, a nadprzewodnikiem stał sie w temperaturze 240oC poniżej 0. było to tyle nie oczekiwane uczucie, że tego rodzaj materiał w temperaturze pokojowej jest izolatorem czyli nie przepuszcza prądu elektrycznego. Leży na przeciwnym biegunie niż przewodnik prądu. Nikomu wcześniej nie przyszło do głowy że po schłodzeniu może zmienić swoją naturę. Rok po swoim odkryciu Bednorz i Mueller dostali Nagrodę Nobla. Inne laboratoria zaczęły przyglądać się podobnym związkom. I ruszyła lawina odkryć, a temperatura nadprzewodnictwa zaczęła się przesówać w górę. Już pół roku później otrzymano tlenek miedzi, zawierający itr, który nadprzewodził po schłodzeniu do 180 st. Celsjusza poniżej zera. Rekord bito potem wielokrotnie aż do maja 1993 roku, gdy znaleziono tlenek zawierający rtęć, bar, wapń i miedź, nadprzewodzący w minus 140 st. Celsjusza.
Do takiej temperatury można schłodzić materiał za pomocą ciekłego azotu, który skrapla się w minus 196 st. C. -Ciekły hel kosztuje tyle, ile dobry koniak, a litr ciekłego azotu tyle, ile butelka mleka -wyliczał zyski na łamach "Magazynu" prof. Józef Spałek z InstytytuFizyki UJ.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe (NWT) to głównie materiały tlenkowe o wysokich temperaturach krytycznych. Cechują je wysokie prądy krytyczne i wysokie pola krytycznego
Najwyższa temperatura krytyczna, stwierdzona dla nadprzewodników klasycznych, długo pozostawała na poziomie 23K, ale w roku 1988 osiągnięto wartośćTc=125K dla nadprzewodników tlenkowych.
PODSTAWOWE WŁASNOŚCI NADPRZEWODNIKÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH
Zainteresowanie nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi wynika nie tylko z ich niezwykłych własności, ale także i to chyba przede wszystkim z możliwości wykorzystania tych materiałów w urządzeniach elektrycznych .Stosuje sięnadprzewodniki wysokotemperaturowe w ogranicznikach prądowych.
Zabezpieczająone siećenergetycznąprzed nieoczekiwanymi przeciążeniami i właśnie nadprzewodniki wysokotemperaturowe stwarzająmożliwośćkonstrukcji prawie idealnego ogranicznika o zerowej rezystancji w warunkach pracy i wysokiej podczas wystąpienia zwarcia