Elektronika Nadprzewodnictwo. Podstawy teoretyczne oraz zastosowanie

[mcsw_02]

Jednym z głównych problemów przesyłu energii elektrycznej są problemy związane z rezystancją materiałów. Straty energetyczne przy jednoczesnym wydzielaniu się ciepła stanowią istotny problem. Z tego powodu nauka poszukuje nowych rozwiązań, które pozwolą na eliminację lub przynajmniej minimalizację tych strat. Jednym z najważniejszych odkryć w tej dziedzinie jest zjawisko nadprzewodnictwa, które pozwala na praktycznie całkowity zanik oporu elektrycznego w określonych warunkach. Nadprzewodniki, dzięki swojej zdolności do przewodzenia prądu bez żadnych strat energii, oferują potencjalnie rewolucyjne rozwiązanie w wielu dziedzinach, od energetyki po technologie informacyjne. Czym więc są nadprzewodniki i gdzie mogą znaleźć zastosowanie?

W tym artykule przedstawię Ci:

• Czym są nadprzewodniki i jakie są ich właściwości?
• Historię nadprzewodnictwa. Odkrycie pierwszego nadprzewodnika.
• Teorię działania zjawiska nadprzewodnictwa.
• Efekt Meissnera.
• Zastosowania nadprzewodników.

Nadprzewodniki wykazują niezwykle ciekawe zjawiska, takie jak efekt Meissnera. Źródło zdjęcia.

 

Czym są nadprzewodniki i jakie są ich właściwości?

Nadprzewodnikiem nazywamy materiał, który w odpowiednich warunkach (np. przy niskiej temperaturze i odpowiednim ciśnieniu) charakteryzuje się praktycznie zerową rezystancją. Oznacza to, że może przewodzić prąd bez żadnych strat. Jest to efekt kwantowy, który ujawnia się w skali makroskopowej i wynika ze zbiorowego zachowania elektronów w materiale.

Nadprzewodnictwo może występować w różnych materiałach. Nadprzewodnictwem mogą charakteryzować się również dielektryki!

Aby dany materiał wszedł w stan nadprzewodzący, musi zostać schłodzony poniżej swojej charakterystycznej temperatury krytycznej oraz poddany pewnemu ciśnieniu. W tych warunkach zachodzą głębokie zmiany we właściwościach fizycznych materiału - opór elektryczny spada praktycznie do zera, a z wnętrza materiału wypierane jest zewnętrzne pole magnetyczne.

To wypieranie wiąże się z efektem Meissnera, które objawia się lewitacją magnetyczną nadprzewodnika nad magnesem.

Nadprzewodnictwo wiąże się z efektem Meissnera. Obraz wygenerowany przez ChatGPT.

 

Historia nadprzewodnictwa. Odkrycie pierwszego nadprzewodnika

Pierwsze skroplenia tlenu dokonane przez Louis Paula Cailleteta przyczyniły się do skroplenia helu w 1908 roku. Tego zabiegu dokonał naukowiec Heike Kamerlingh Onnes. Był to fundamentalny krok w dziedzinie badań nad materiałami w ekstremalnie niskich temperaturach.

Heike Kamerlingh Onnes (po prawej) i Gerrit Flim, jego główny technik, przy skraplaczu helu. Źródło zdjęcia.

Z naukowego punktu widzenia powodem, dlaczego w tym czasie prężnie badano materiały w ekstremalnie niskich temperaturach, były teorie wysnute przez Paula Drude, które mówiły, że przy obniżaniu temperatury liniowo będzie spadała rezystancja. Z drugiej strony William Thomson (zwany Lordem Kelvinem) twierdził, że elektrony zostaną zamrożone i w tym wypadku rezystancja będzie nieskończona.

Zespół Onnesa badał płytki złota i platyny o różnych czystościach. Podczas badań zauważono, że im czystszy był materiał, tym mniejszą rezystancję on osiągał przy obniżaniu temperatury. W pewnym momencie następowała stała rezystancja powodowana nieczystościami materiału. To obalało przytoczoną teorię Kelvina.

Do kolejnych eksperymentów wybrano rtęć ze względu na wysoką czystość materiału po wykonaniu procesu destylacji. 8 kwietnia 1911 celem przeprowadzonego eksperymentu było przetestowanie systemu transferu dla ciekłego helu. Zespół pod przewodnictwem Kamerlingha Onnesa i Gerrita Jana Flima rozpoczął badania. Do pomiaru rezystancji rtęciowego przewodu użyto mostka elektrycznego oraz galwanometru lustrzanego. Interesującą obserwacją był spadek rezystancji rtęci do zera poniżej temperatury 4.2 K.

 

Zależność rezystancji od temperatury dla różnych materiałów, w tym dla rtęci (Hg). Źródło zdjęcia. Notatki HKO.

Zależność rezystancji od temperatury przewodu z rtęci. W okolicach 4.2 K widać nagły spadek rezystancji. Zgodnie z wykresem poniżej 4.2 K rezystancja wynosi 10^-5 Ω. Źródło zdjęcia. Notatki HKO.

Strona notatnika Onnesa. Po prawej zaznaczony fragment mówiący Rtęć praktycznie zero. Oczywiście chodzi o jej praktycznie zerową rezystancję. Źródło zdjęcia.

Za swoje osiągnięcia w dziedzinie badań nad materiałami w niskich temperaturach Heike Kamerlingh Onnes otrzymał w 1913 roku Nagrodę Nobla.

Od tego momentu badania nad nadprzewodnikami wzrosły. Ostatecznym celem tych badań jest odkrycie nadprzewodnika, który wykazuje właściwości nadprzewodnicze w temperaturze pokojowej i przy naturalnym ciśnieniu. Oczywiście jeszcze tego nie dokonano.

Niemniej wciąż odkrywa się materiały, które charakteryzują się nadprzewodnictwem w coraz to wyższych temperaturach.

 

Rok odkrycia materiału w funkcji jego krytycznej temperatury. Z wykresu wynika, że na przestrzeni lat odkryto wiele materiałów nadprzewodnikowych. Źródło zdjęcia.

W sierpniu 2018 roku osiągnięto nadprzewodnictwo w 215 K, a w grudniu w 250 K. W marcu 2019 rekord wynosił już 280 K. ~ Źródło cytatu.

Warto tutaj wspomnieć o jednej z kategorii nadprzewodników, jakimi są nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Nie wdając się w szczegóły, są to materiały, których temperatura krytyczna wynosi powyżej 30 K (−243.15 °C) i są dużą nadzieją na wykrycie nadprzewodnika w temperaturze około pokojowej. 

Nadprzewodnikami nie muszą być tylko przewodniki. Pierwszym odkrytym nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym był materiał, który w normalnych warunkach był izolatorem.

 

Teoria działania zjawiska nadprzewodnictwa

Nie istnieje jedna, uniwersalna teoria, dlaczego nadprzewodnictwo występuje w naturze. Teoria opisująca klasyczne nadprzewodniki (np. rtęć) nie sprawdza się dla nadprzewodników wysokotemperaturowych lub bardziej egzotycznych.

W tym artykule spróbuję przedstawić Ci teorię BCS. Ominę aspekty matematyczne i skupię się na przedstawieniu teorii w jak najprostszy sposób.

Teoria BCS to teoria sformułowana przez 3 naukowców. Są nimi:

• John Bardeen (wynalazca tranzystora).
• Leon Cooper.
• John Robert Schrieffer.

Nazwa teorii bierze się od pierwszych liter nazwisk naukowców.

W 1972 roku autorzy tej teorii otrzymali Nagrodę Nobla za jej sformułowanie.

Podkreślam jeszcze raz, że to tylko teoria! Nie jest to uniwersalne wyjaśnienie tego zjawiska.

Twórcy teorii BCS. Od lewej: Bardeen, Cooper, Schrieffer. Źródło zdjęcia.

W naturze wyróżnia się dwa typy cząstek: bozony i fermiony. 

Fermiony nie mogą znajdować się na tym samym stanie energetycznym. Jest to między innymi elektron. Fermiony charakteryzują się niecałkowitym spinem.

Bozony to cząstki elementarne, które lubią być razem. W przeciwieństwie do innych cząstek bozony mogą zajmować to samo miejsce i stan energetyczny w tym samym czasie. Na przykład kilka bozonów może zajmować ten sam poziom energetyczny. Posiadają spin całkowity.

Zestawienie fermionów i bozonów. Źródło zdjęcia.

Intuicja podpowiada, że dwa elektrony będące fermionami i mający ujemny ładunek, powinny się odpychać elektrostatycznie. Jednak w nadprzewodnikach, przy odpowiednich warunkach, pojawia się zjawisko, które pozwala im się łączyć w tzw. pary Coopera.

Pary Coopera powstają dzięki oddziaływaniu elektronów z siecią krystaliczną. Elektron przechodząc przez sieć krystaliczną jonów dodatnich (np. w metalu), przyciąga je do siebie, lekko deformując sieć. Ta deformacja powoduje chwilowy nadmiar ładunku dodatniego w tym miejscu. Drugi elektron z przeciwnym spinem jest przyciągany do tej deformacji. W efekcie dwa elektrony są pośrednio przyciągane do siebie przez sieć krystaliczną. Drugi elektron powoduje przesunięcie jonów w przeciwnym kierunku, dzięki czemu sieć wraca do równowagi. Oddziaływanie fononowe, czyli pośrednie przyciąganie elektronów przez deformację sieci krystalicznej, jest stosunkowo słabe. Jednak w bardzo niskich temperaturach (bliskich zeru bezwzględnemu), gdy zanikają zakłócenia termiczne, może ono przeważyć nad naturalnym odpychaniem elektrostatycznym między elektronami.

Model sieci krystalicznej. Źródło zdjęcia.

Kiedy dwa elektrony o przeciwnych spinach łączą się w parę Coopera, ich całkowity spin wynosi 0. Dzięki temu zerowemu spinowi dwa fermiony zachowują się jak bozon. Wiele bozonów na jednym poziomie kwantowym opisuje się jako jedna całość, a nie jako pojedyncze cząstki. Pary Coopera również tworzą taki stan, który jest formalnie analogiczny do kondensatu Bosego-Einsteina. Oznacza to, że wszystkie pary Coopera mogą poruszać się wspólnie i synchronicznie. To kolektywne zachowanie oraz równoczesne przyciąganie i oddalanie dodatnich ładunków sprawia, że elektrony połączone w pary Coopera nie oddziałują indywidualnie z defektami sieci krystalicznej, drganiami termicznymi, czy innymi zakłóceniami w materiale, które normalnie powodują opór elektryczny. W typowym przewodniku pojedyncze elektrony są rozpraszane na takich przeszkodach, co prowadzi do strat energii i objawia się jako rezystancja. W nadprzewodniku natomiast, dzięki istnieniu par Coopera, ten mechanizm rozpraszania zostaje skutecznie wyeliminowany. Opór wynosi zero.

Opis może wydawać się skomplikowany, dlatego poniżej znajduje się wyjaśnienie tego zjawiska w postaci listy punktowanej:

• Materiał jest schładzany do niskiej temperatury, aby wzmocnić połączenia elektronowe.
• Pierwszy elektron zaczyna przemieszczać się przyciągając jony dodatnie.
• Drugi elektron widzi tę deformację i przez lokalne większe skupienie ładunków dodatnich jest przyciągany do obszaru deformacji.
• Elektrony łączą się w parę Coopera.
• Ich całkowity spin wynosi 0, więc są bozonami. Bozony opisywane są jako jedna całość, więc te 2 elektrony działają wspólnie w tym samym czasie.
• Opór zanika przez brak zderzeń między elektronami a dodatnimi jonami. To efekt kolektywnego ruchu całej chmury par Coopera.

Wizualizacja działania pary Coopera. Źródło zdjęcia.

 

Efekt Meissnera

Interesującym zjawiskiem (oraz najbardziej efektownym), które jest nieodłącznie związane z nadprzewodnikami jest Efekt Meissnera.

W normalnych warunkach zewnętrzne pole magnetyczne wnika do przewodnika. Jeżeli materiał nadprzewodnikowy obniżymy poniżej temperatury krytycznej oraz zadziałamy na niego zewnętrznym polem magnetycznym, to pole magnetyczne będzie wypychane z nadprzewodnika. Powodem jest indukowanie się prądu w wierzchniej warstwie materiału, które kompensuje zewnętrzne pole magnetyczne. Skutkiem jest lewitacja magnetyczna. Nadprzewodnik jest uwięziony w liniach zewnętrznego pola magnetycznego, dlatego pozostaje on w jednym miejscu w przestrzeni.

Warto wspomnieć, że przy odpowiednio silnym polu magnetycznym nadprzewodnik traci swoje właściwości nadprzewodnicze!

Wizualizacja działania Efektu Meissnera. Po lewej nadprzewodnik o temperaturze większej niż temperatura krytyczna. Po lewej o temperaturze mniejszej niż krytyczna. Skutkiem jest wypychanie pola magnetycznego z materiału. Źródło zdjęcia.

 

Zastosowania nadprzewodników

Nadprzewodniki, dzięki swoim wyjątkowym właściwościom fizycznym, znajdują potencjalne zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i technologii. Ich rosnące znaczenie wynika z możliwości, jakie oferują w zakresie nowoczesnych rozwiązań inżynieryjnych i przemysłowych. Jeszcze nie znamy wszystkich możliwych zastosowań nadprzewodników, ponieważ ich pełny potencjał ograniczają trudne warunki pracy. Wymagania te wiążą się z wysokimi kosztami i wyzwaniami technologicznymi, które obecnie ograniczają ich szersze zastosowanie.

1. Kable i przewody nadprzewodnikowe

W odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na wydajny przesył energii coraz większe znaczenie zyskują kriokable nadprzewodnikowe, zwłaszcza te wykonane z wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodnikowych. Umożliwiają one przesył prądu elektrycznego przy minimalnych stratach mocy. To rozwiązanie szczególnie dobrze sprawdzałoby się w gęsto zabudowanych obszarach miejskich, gdzie przestrzeń dla infrastruktury energetycznej jest mocno ograniczona. 

Model kriokabla z wysokonapięciowymi doprowadzeniami prądowymi. Źródło zdjęcia.

Takie przewody charakteryzują się bardzo małym przekrojem. Takie rozwiązania były już implementowane.

2. Kolej i pociągi nadprzewodnikowe

Zastosowanie nadprzewodników pozwala na wytworzenie silnego i stabilnego pola magnetycznego, dzięki czemu możliwa jest bezoporowa lewitacja i poruszanie się z bardzo dużą prędkością. Brak tarcia sprawia, że takie pociągi są wyjątkowo ciche, co czyni je atrakcyjną alternatywą dla tradycyjnych środków transportu naziemnego.

Budowa pociągu Maglev wykorzystującego nadprzewodniki. Źródło zdjęcia.

 

3. Kriotron – element przełączający

Wykorzystując zmiany zewnętrznego pola magnetycznego, można nadprzewodnik włączać i wyłączać. Jest to sposób na stworzenie ultra szybkiego elementu przełączającego. Taki element jest nazywany kriotronem.

Kriotron. Źródło zdjęcia.

Kriotron jest ogromną nadzieją na stworzenie w pełni funkcjonalnego ultraszybkiego komputera.

 

Podsumowanie

Nadprzewodniki to wielka nadzieja dla współczesnej energetyki i technologii. Brak strat przy przesyle energii elektrycznej, lewitujące pociągi lub super szybkie elementy przełączające to tylko niektóre z obszernej gamy potencjalnych zastosowań nadprzewodników, których nie zdążyłem omówić w tym artykule. Przed nami wiele odkryć, biorąc pod uwagę, że badania nad tymi materiałami wciąż trwają. Mimo wielu postępów dokładny mechanizm nadprzewodnictwa wciąż nie jest w pełni poznany. Miejmy nadzieję, że szybko się to zmieni.

Edytowano Maj 31, 2025 przez mcsw_02
final

[Treker (Damian Szymański)]

@mcsw_02 dzięki za kolejny ciekawy artykuł!