Eszkola

Nadprzewodniki

Przydatne kalkulatory i narzędzia

Nadprzewodnikiem nazywamy materiał, który poniżej temperatury krytycznej charakteryzuje się zerowym oporem elektrycznym i wypychaniem pola magnetycznego. To drugie zjawisko, nazywane efektem Meissnera, pozwala na odróżnienie idealnego przewodnika.

Pole magnetycznie, poniżej wartości krytycznej, będzie zanikać w nadprzewodnikach już na niewielkiej głębokości, określanej przez londonowską głębokość wnikania, która jest rzędu do kilkuset nanometrów. Zgodnie z jedną z teorii nadprzewodnictwa - teorią Londonów - głębokość wnikania \(\lambda\)  w nadprzewodniku, którego ładunki \(q\)  przewodzące o koncentracji \(n\) mają masę \(m\) dana jest wzorem:
\(\lambda=\sqrt{\dfrac{m}{nq^2\mu_0}}\)

gdzie \(\mu_0\) symbolizuje przenikalność magnetyczną próżni.

Natężenie pola będzie maleć eksponencjalnie wraz z przejściem w głąb materiału. W związku z tym, wewnątrz nadprzewodnika natężenie pola magnetycznego będzie zerowe. Ze względu właściwości diamagnetyczne, można obserwować też lewitację nadprzewodnikową.

Teoria BCS tłumaczy nadprzewodnictwo przez powstanie tak zwanych par Coopera składających się z pary odległych elektronów sprzężonych ze sobą przez oddziaływanie z siecią krystaliczną. W niskich temperaturach, kiedy sieć krystaliczna wykonuje tylko drgania harmoniczne, pary Coopera, jako bozony (pojedyncze elektrony są fermionami) mogą okupować ten sam poziom energetyczny oddzielony przerwą energetyczną od innych. Ruch takich par implikuje przepływ prądu, którego nośnik ma ładunek wartości dwóch ładunków elektronu, czyli dwukrotnie większej niż w klasycznych przewodnikach.

W nadprzewodnikach I rodzaju, w odpowiednio wysokim polu magnetycznym stan nadprzewodzący zanika i nadprzewodnik wraca do stanu normalnego. W nadprzewodnikach II rodzaju występuje stan mieszany - pośredni między stanem, w którym zachodzi efekt Meissnera, a stanem normalnym.

Typową zależność oporu od temperatury dla nadprzewodnika prezentuje rysunek poniżej, przez \(T_k\) oznaczono temperaturę krytyczną. Obecnie dąży się do uzyskania stanu nadprzewodzącego w możliwie największej temperaturze. Dla przykładu aluminium czy ołów są nadprzewodnikami w temperaturze poniżej kilku kelwinów, a związki typu Ba-Cu-O mogą  być nadprzewodzące nawet w temperaturze o kilkadziesiąt stopni większej.

 

 

Może Ci się przydać: