Superprovodljivost

1. http://fizis.rs/ СМ
СУПЕРПРОВОДЉИВОСТ

2. http://fizis.rs/ СМ
Суперпроводљивост је појава која се јавља код
неких материјала на ниским температурама, када
долази до потпуног одсуства електричне
отпорности.

3. http://fizis.rs/ СМ
График зависности промене специфичне
отпорности од температуре:
суперпроводник обичан
проводник
Tc - критична температура
 
T
T

T
Tc
0 K

4. http://fizis.rs/ СМ

T
Tc
0 K
• Специфична отпорност свих проводника зависи
од температуре.
• Код металних проводника отпорност расте са
температуром, а код електролита отпорност
опада.
• При високим температурама отпорност металних
проводника брже расте са температуром него
при средњим вредностима температуре.

5. http://fizis.rs/ СМ
Повећање отпорности са порастом температуре
објашњава се осциловањем кристалне решетке.
Због осциловања се нарушава симетрија
решетке, појављују се локалне нехомогености на
којима се расејава де Брољев талас слободних
електрона

6. http://fizis.rs/ СМ
Постоје неки материјали код којих је електрична
отпороност нагло пада (једнака је нули) у близини
апсолутне нуле. Материјали чија је електрична
отпорност једнака нули називају се
суперпроводници.

T
Tc
0 K
Прелаз метала у стање
суперпроводности дешава
се нагло (у скоку).
Температура на којој долази
до ове нагле промене назива
се критична температура.

7. http://fizis.rs/ СМ

T
Tc
0 K
Критичне температуре за чисте метале су врло
ниске, углавном око или испод 4К.
Пример: Критичне температуре – олово 7,2К, жива
4,12К, кадмијум 0,54К, талијум 2,38К, ниобијум
9,5К.

8. http://fizis.rs/ СМ
• Суперпроводност се појављује код разних
материјала, укључујући и једноставне
елементе попут калаја и алуминијума, неке
маталне легуре, и неке полупроводнике, као и
извесна керамичка једињења која садрже
нешто атома бакра и кисеоника.
• Суперпроводност се не појављује код
племенитих метала попут злата и сребра, нити
код феромагнетних метала попут гвожђа (мада
гвожђе може да се претвори у суперпроводник
ако се подвргне врло високим притисцима).

9. http://fizis.rs/ СМ
Немачки физичар Мајснер је експериментално
утврдио да суперпроводници не дозвољавају
магнетном пољу да продре у њихову
унутрашњост.
Влатер Мајснер

10. http://fizis.rs/ СМ
Ако се метална кугла унесе у магнетно поље,
магнетно поље ће постојати и у унутрашњости
кугле.
Ако је метална кугла у суперпроводном стању,
линије магнетног поља обилазе око кугле, не
улазећи у њену унутрашњост.

11. http://fizis.rs/ СМ
Ова појава се објашњава индуковањем струја на
површини суперпроводника. Магнетно поље тих
струја поништава спољашње поље у унутрашњости
метала.
Овај појава је названа Мајснеров ефекат.

12. http://fizis.rs/ СМ
При појачању спољашњег магнетног поља постоји
одређена јачина када поље успе да продре у
суперпроводник и да уништи његову
суперпроводљивост.
Магнетно поље у коме се проводник налази
може да уништи супрепроводност. Вредност
поља на којој се ово догађа назива се критична
магнетна индукција Bc.

13. http://fizis.rs/ СМ
Пошто је струја коју пропуштамо кроз
суперпроводник извор магнетног поља, јасно је
да мора да постоји ограничење њене јачине и да
изнад те граничне јачине струје нема
суперпроводљивости.

14. http://fizis.rs/ СМ
Суперпроводљивост - откривена 1911.
(холандски физичар Камерлинг Онес)
теорија суперпроводљивости - 1957.
БСЦ теорија
Џон Бардин Лион Купер
Роберт Шрифер
Нобелова награда 1972

15. http://fizis.rs/ СМ
Њихова идеја је да електрон – фонон интеракција
ствара услове да се два електрона споје у
електронски пар (Куперови парови).
Ако је температура материјала већа од Tc онда фонони
имају довољно енергије да ове парове и разоре.
Међутим ако је температура материјала мања од Tc
тада фонони немају довољно енергије да разарају
Куперове парове, али и даље имају довољно енергије
да их стварају.

16. http://fizis.rs/ СМ
Куперов пар електрона чине електрони супротног
спина тако да је спин пара једнак нули, па се
понаша као бозон.

17. http://fizis.rs/ СМ
Куперов пар се као Де Брољев талас простире кроз
кристалну решетку без расејања – тада фонони не
само да немају довољно енергије да разоре
Куперов пар, него немају ни довољно енергије да
изазову њихово расејање. Зато је отпорност тада
једнака нули.

18. http://fizis.rs/ СМ
Неконвенционални суперпроводници - физичка
својства у супротности са теоријом
конвенционалних суперпроводника.
Високотемпературни суперпроводници,
(откривени 1986) - показују особину
суперпроводљивости на температурама далеко
вишим него што би то било могуће по
конвенционалној теорији (ипак, ова температура
је још увек далеко испод собне температуре).

19. http://fizis.rs/ СМ
Да би се суперпроводници користили у пракси,
потребно је да „функционишу“ на температурама
приближним собним (иначе би их утрошак енергије за
хлађење учинио непрактичним).
• легуре ниобијума и германијума (1973) са
критичном температуром 23,2К
• керамички материјал, добијен 1986. године има
критичну темепаратуру 35К
• у новије време, добијени су керамички материјали
са критичном темепаратуром око 100К.
Већ на овим температурама (100К) пружају се велике
могућности примене, јер за хлађење тела до ове
температуре може да се користи течни азот (кључа на 77К).

20. http://fizis.rs/ СМ
Неке од могућности примене:
• пренос и складиштење електричне енергије без
губитака
• рачунари са суперпроводљивим елементима могли
би да буду знатно мањи, бржи и ефикасинији
• лебдећи изнад суперпроводљиве пруге, односно пута
возови и аутомобили би се кретали знатно већим
брзинама
• суперпроводљиви мерни уређаји користили би се за
мерење веома слабих електричних и магнетних поља
као што су магнетна поља мозга и срца, за мерење
протока јона кроз ћелијске мембране

21. http://fizis.rs/ СМ
Пример: Левитацијски воз
Ако је темпeрaтура подлоге виша од критичне
температуре магнет лежи на подлози (воз на шинама).
Када се температура снизи
испод критичне, подлога
(железничке шине) постаје
суперпроводљива, па из
своје унутрашњости
потискује магнетно поље
сталног магнета.
Јавља се одбојна сила, која се смањује са удаљавањем
магнета (железниче композиције) од површине
подлоге.

22. http://fizis.rs/ СМ
Ако се изнад комада керамичког суперпроводног
материјала, који се налази у течном азоту, постави
мали, али јак стални магнет, он ће лебдети
(левитирати) изнад керамике.

23. http://fizis.rs/ СМ
На одређеној висини изнад подлоге, изједначавају
се одбојна магнетна сила и сила Земљине теже.
Тело лебди као да је на магнетном јастуку.

24. http://fizis.rs/ СМ
Велики хадронски сударач
(LHC – Large Hadron Collider)
П
Р
И
М
Е
Р

25. http://fizis.rs/ СМ
1232 диполних магнета
392 квадруполних магнета

26. http://fizis.rs/ СМ

27. http://fizis.rs/ СМ
Калемови магнета се састоје од 36 уплетених
суперпроводних жица. Свака од ових танких
жица састоји се од 6000-9000 појединачних
влакана пречника 6-7 m (око десет пута тање
од длаке косе човека).

28. http://fizis.rs/ СМ
• Суперпроводни магнети са хладе супертечним
хелијумом (нема вискозност)
• Радна температура 1,9К
Обични магнети се хладе
водом – раде на ’’обичној’’
температури
На нормалном притиску
хелијум прелази у течну
фазу на 4,2К. Али
даљим хлађењем, на
температури око 2,17К
прелази у нову фазу
суперфлуидно стање
(хелијум тече кроз цеви
без икаквог отпора).

29. http://fizis.rs/ СМ