Meissnerov efekt a jeho využitie. Meissnerov stav

Meissnerov efekt alebo Meissner-Oxenfeldov efekt spočíva v posunutí magnetického poľa z väčšiny supravodiča počas jeho prechodu do supravodivého stavu. Tento jav objavili v roku 1933 nemeckí fyzici Walter Meissner a Robert Ochsenfeld, ktorí zmerali rozloženie magnetického poľa mimo supravodivých vzoriek cínu a olova.

V experimente boli supravodiče v prítomnosti aplikovaného magnetického poľa ochladené pod teplotu ich supravodivého prechodu, zatiaľ čo takmer celé vnútorné magnetické pole vzoriek bolo vynulované. Tento efekt objavili vedci iba nepriamo, pretože magnetický tok supravodiča bol zachovaný: keď sa magnetické pole vo vzorke znížilo, vonkajšie magnetické pole sa zvýšilo.

Experiment teda prvýkrát ukázal, že supravodiče nie sú len ideálnymi vodičmi, ale tiež preukázali jedinečnú definujúcu vlastnosť supravodivého stavu. Schopnosť vytesniť magnetické pole je daná povahou rovnováhy vytvorenej neutralizáciou vo vnútri jednotkovej bunky supravodiča.

Verí sa, že supravodič so slabým magnetickým poľom alebo žiadnym magnetickým poľom je v Meissnerovom stave. Meissnerov stav sa však rozpadne, keď je aplikované magnetické pole príliš silné.

Tu stojí za zmienku, že supravodiče môžu byť rozdelené do dvoch tried v závislosti od toho, ako k tomuto porušeniu dochádza.V supravodičoch prvého druhu je supravodivosť náhle narušená, keď je sila aplikovaného magnetického poľa vyššia ako kritická hodnota Hc.

V závislosti od geometrie vzorky je možné získať prechodný stav, podobný nádhernému vzoru oblastí normálneho materiálu nesúceho magnetické pole, zmiešaných s oblasťami supravodivého materiálu, kde nie je žiadne magnetické pole.

V supravodičoch typu II vedie zvýšenie aplikovanej sily magnetického poľa na prvú kritickú hodnotu Hc1 k zmiešanému stavu (známy aj ako stav víru), v ktorom stále viac magnetického toku preniká materiálom, ale neexistuje žiadny odpor voči elektrický prúd, pokiaľ tento prúd nie je príliš vysoký.

Pri hodnote druhej kritickej sily Hc2 je supravodivý stav zničený. Zmiešaný stav je spôsobený vírmi v tekutine superfluidných elektrónov, ktoré sa niekedy nazývajú fluxóny (fluxón-kvantum magnetického toku), pretože tok prenášaný týmito vírmi je kvantovaný.

Najčistejšie elementárne supravodiče, okrem nióbových a uhlíkových nanorúrok, sú prvého typu, zatiaľ čo takmer všetky nečistoty a komplexné supravodiče sú druhého typu.

Fenomenologicky bol Meissnerov efekt vysvetlený bratmi Fritzom a Heinzmi Londonovými, ktorí ukázali, že voľná elektromagnetická energia supravodiča je minimalizovaná za predpokladu:

Táto podmienka sa nazýva Londýnska rovnica. Predpovedá, že magnetické pole v supravodiči sa exponenciálne rozpadá z akejkoľvek hodnoty, ktorú má na povrchu.

Ak je aplikované slabé magnetické pole, supravodič vytlačí takmer celý magnetický tok. Je to spôsobené výskytom elektrických prúdov v blízkosti jeho povrchu. Magnetické pole povrchových prúdov neutralizuje aplikované magnetické pole vo vnútri objemu supravodiča. Pretože posun alebo potlačenie poľa sa v priebehu času nemení, potom prúdy vytvárajúce tento efekt (jednosmerné prúdy) sa časom nerozpadajú.

V blízkosti povrchu vzorky v londýnskej hĺbke magnetické pole úplne chýba. Každý supravodivý materiál má svoju vlastnú hĺbku magnetického prieniku.

Každý dokonalý vodič zabráni akejkoľvek zmene magnetického toku prechádzajúceho jeho povrchom v dôsledku normálnej elektromagnetickej indukcie pri nulovom odpore. Meissnerov efekt sa však od tohto javu líši.

Keď je konvenčný vodič ochladený tak, že sa v prítomnosti trvalo aplikovaného magnetického poľa dostane do supravodivého stavu, magnetický tok sa počas tohto prechodu vylúči. Tento efekt nemožno vysvetliť nekonečnou vodivosťou.

Umiestnenie a následná levitácia magnetu nad už supravodivým materiálom nevykazuje Meissnerov efekt, zatiaľ čo Meissnerov efekt sa prejavuje, ak sa pôvodne stacionárny magnet neskôr odrazí zo supravodiča ochladeného na kritickú teplotu.

V Meissnerovom stave supravodiče vykazujú dokonalý diamagnetizmus alebo superdiamagnetizmus. To znamená, že celkové magnetické pole je v ich hĺbke veľmi blízko nule, vo veľkej vzdialenosti dovnútra od povrchu. Magnetická citlivosť -1.

Diamagnetizmus je determinovaný generovaním spontánnej magnetizácie materiálu, ktorá je priamo opačná voči smeru zvonka pôsobiaceho magnetického poľa.Základný pôvod diamagnetizmu v supravodičoch a bežných materiáloch je však veľmi odlišný.

V bežných materiáloch vzniká diamagnetizmus ako priamy dôsledok orbitálnej rotácie elektrónov okolo jadier atómu, indukovanej elektromagnetickým pôsobením vonkajšieho magnetického poľa. V supravodičoch vzniká ilúzia dokonalého diamagnetizmu v dôsledku konštantných tieniacich prúdov, ktoré tečú opačne ako v aplikovanom poli (samotný Meissnerov efekt), a nielen v dôsledku orbitálnej rotácie.

Objav Meissnerovho efektu viedol v roku 1935 k fenomenologickej teórii supravodivosti od Fritza a Heinza Londýna. Táto teória vysvetlila zmiznutie odporu a Meissnerov efekt. Umožnilo nám to urobiť prvé teoretické predpovede o supravodivosti.

Táto teória však vysvetlila iba experimentálne pozorovania, ale neumožnila identifikovať makroskopický pôvod supravodivých vlastností. To sa úspešne podarilo neskôr, v roku 1957, pomocou teórie Bardeen-Cooper-Schrieffer, z ktorej vyplýva hĺbka prieniku aj Meissnerov efekt. Niektorí fyzici však tvrdia, že teória Bardeen-Cooper-Schrieffer nevysvetľuje Meissnerov efekt.

Meissnerov efekt sa aplikuje podľa nasledujúceho princípu. Keď teplota supravodivého materiálu prejde kritickou hodnotou, magnetické pole okolo neho sa prudko zmení, čo vedie k generovaniu impulzu EMF v cievke navinutej okolo takého materiálu. A keď sa zmení prúd ovládacieho vinutia, je možné ovládať magnetický stav materiálu. Tento jav sa používa na meranie ultra slabých magnetických polí pomocou špeciálnych senzorov.

Cryotron je spínacie zariadenie založené na Meissnerovom efekte. Štrukturálne sa skladá z dvoch supravodičov. Okolo tantalovej tyče je navinutá nióbová cievka, ktorou preteká riadiaci prúd.

S nárastom riadiaceho prúdu sa zvyšuje sila magnetického poľa a tantal prechádza zo stavu supravodivosti do bežného stavu. V tomto prípade sa vodivosť tantalového vodiča a prevádzkový prúd v riadiacom obvode menia nelineárne. Na základe kryotrónov sú napríklad vytvorené riadené ventily.

Tento jav prvýkrát pozorovali v roku 1933 nemeckí fyzici Meissner a Ochsenfeld. Meissnerov efekt je založený na fenoméne úplného posunu magnetického poľa z materiálu počas prechodu do supravodivého stavu. Vysvetlenie účinku súvisí s prísne nulovou hodnotou elektrického odporu supravodičov. Prienik magnetického poľa do bežného vodiča je spojený so zmenou magnetického toku, čo zase vytvára EMF indukčných a indukovaných prúdov, ktoré zabraňujú zmene magnetického toku.

Magnetické pole preniká do supravodiča do hĺbky a vytláča magnetické pole zo supravodiča o konštantu, nazývanú Londýnska konštanta:

. (3.54)

Ryža. 3.17 Schéma Meissnerovho efektu.

Obrázok ukazuje čiary magnetického poľa a ich posun zo supravodiča pri teplote pod kritickou.

Keď teplota prejde kritickou hodnotou, magnetické pole v supravodiči sa prudko zmení, čo vedie k vzniku impulzu EMF v induktore.

Ryža. 3,18 Senzor Meissnerovho efektu.

Tento jav sa používa na meranie ultratenkých magnetických polí na vytvorenie kryotróny(spínacie zariadenia).

Ryža. 3.19 Konštrukcia a označenie kryotronu.

Štrukturálne sa kryotron skladá z dvoch supravodičov. Okolo tantalového vodiča je navinutá nióbová cievka, ktorou preteká riadiaci prúd. S nárastom riadiaceho prúdu sa zvyšuje sila magnetického poľa a tantal prechádza zo stavu supravodivosti do bežného stavu. V tomto prípade sa vodivosť tantalového vodiča prudko zmení a prevádzkový prúd v obvode prakticky zmizne. Na základe kryotrónov sú napríklad vytvorené riadené ventily.

Chaotický pohyb atómov vodiča bráni prechodu elektrického prúdu. Odpor vodiča klesá s klesajúcou teplotou. Pri ďalšom poklese teploty vodiča je pozorovaný úplný pokles odporu a jav supravodivosti.

Pri určitej teplote (blízko 0 oK) odpor vodiča prudko klesá na nulu. Tento jav sa nazýva supravodivosť. V supravodičoch je však pozorovaný aj ďalší jav - Meissnerov efekt. Supravodivé vodiče majú neobvyklú vlastnosť. Magnetické pole je úplne vytlačené z objemu supravodiča.

Posun magnetického poľa supravodičom.

Vodič v supravodivom stave sa na rozdiel od ideálneho vodiča správa ako diamagnet. Vonkajšie magnetické pole je vytlačené z objemu supravodiča. Ak potom umiestnite magnet na supravodič, magnet visí vo vzduchu.

Vzhľad tohto efektu je spôsobený skutočnosťou, že keď je do magnetického poľa zavedený supravodič, vznikajú v ňom vírivé prúdy indukcie, ktorých magnetické pole úplne kompenzuje vonkajšie pole (ako v každom diamagnetu). Samotné indukované magnetické pole však vytvára aj vírivé prúdy, ktorých smer je v smere opačný ako indukčné prúdy a má rovnakú veľkosť. Výsledkom je, že magnetické pole ani prúd vo väčšine supravodičov chýbajú. Objem supravodiča je skrínovaný tenkou povrchovou vrstvou-kožnou vrstvou-na hrúbku, do ktorej (rádovo 10-7-10-8 m) preniká magnetické pole a v ktorej je kompenzovaná.

a- normálny vodič s nenulovým odporom pri akejkoľvek teplote (1) sa zavedie do magnetického poľa. V súlade so zákonom elektromagnetickej indukcie vznikajú prúdy, ktoré odolávajú prieniku magnetického poľa do kovu (2). Ak je však odpor iný ako nula, rýchlo sa rozpadnú. Magnetické pole preniká do vzorky normálneho kovu a je takmer rovnomerné (3);

b- z normálneho stavu pri teplote vyššie T c Existujú dva spôsoby: Po prvé: Keď teplota klesá, vzorka prejde do supravodivého stavu, potom je možné použiť magnetické pole, ktoré je vytlačené zo vzorky. Druhým je najskôr použiť magnetické pole, ktoré prenikne do vzorky, a potom znížiť teplotu, potom bude pole počas prechodu vytlačené. Vypnutie magnetického poľa poskytne rovnaký obraz;

v- nebyť Meissnerovho efektu, vodič by sa bez odporu správal inak. Pri prechode do stavu bez odporu v magnetickom poli by magnetické pole zachovalo a udržalo by ho aj vtedy, ak by bolo odstránené vonkajšie magnetické pole. Takýto magnet bolo možné odmagnetizovať iba zvýšením teploty. Toto správanie však nebolo experimentálne pozorované.

V roku 1933 nemecký fyzik Walter Fritz Meissner spolu so svojim kolegom Robertom Ochsenfeldom objavili účinok, ktorý bol po ňom neskôr pomenovaný. Meissnerov efekt spočíva v tom, že počas prechodu do supravodivého stavu dochádza k úplnému posunu magnetického poľa z objemu vodiča. Toto je možné jasne pozorovať pomocou experimentu, ktorý dostal názov „Rakva Mohameda“ (podľa legendy rakva moslimského proroka Mohameda visela vo vzduchu bez fyzickej podpory). V tomto článku budeme diskutovať o Meissnerovom efekte a jeho budúcich a súčasných praktických aplikáciách.

V roku 1911 urobila Heike Kamerling -Onnes dôležitý objav - supravodivosť. Dokázal, že ak niektoré látky ochladíte na teplotu 20 K, potom nevykazujú odpor voči elektrickému prúdu. Nízka teplota „upokojuje“ náhodné vibrácie atómov a elektrine sa odoláva.

Po tomto objave začala skutočná rasa hľadať látky, ktoré by neodolali bez chladenia, napríklad pri bežnej izbovej teplote. Takýto supravodič bude schopný prenášať elektrickú energiu na gigantické vzdialenosti. Faktom je, že konvenčné elektrické vedenia strácajú značné množstvo elektrického prúdu len kvôli odporu. Fyzici medzitým vykonávajú svoje experimenty chladením supravodičov. A jedným z najobľúbenejších experimentov je ukážka Meissnerovho efektu. Na webe nájdete mnoho videí, ktoré ukazujú tento efekt. Zverejnili sme jeden, ktorý to najlepšie ukazuje.

Na demonštráciu experimentu levitácie magnetu nad supravodičom je potrebné vziať vysokoteplotnú supravodivú keramiku a magnet. Keramika je ochladená dusíkom na supravodivú úroveň. K nemu je pripojený prúd a na vrch je umiestnený magnet. V poliach 0,001 T sa magnet posúva nahor a levituje nad supravodičom.

Účinok je vysvetlený skutočnosťou, že pri prechode hmoty na supravodivosť je magnetické pole vytlačené z jeho objemu.

Ako je možné Meissnerov efekt uplatniť v praxi? Pravdepodobne každý čitateľ týchto stránok videl mnoho sci -fi filmov, v ktorých sa autá vznášali nad cestou. Ak je možné vymyslieť látku, ktorá sa pri teplote, povedzme, nie nižšej ako +30, premení na supravodič, potom to už nebude fantázia.

Ale čo guľkové vlaky, ktoré sa tiež vznášajú nad železnicou. Áno, už existujú. Ale na rozdiel od Meissnerovho efektu existujú ďalšie fyzikálne zákony: odpudzovanie unipolárnych strán magnetov. Bohužiaľ, vysoké náklady na magnety neumožňujú rozsiahle používanie tejto technológie. S vynálezom supravodiča, ktorý nemusí byť chladený, sa lietajúce autá stanú realitou.

Medzitým kúzelníci prijali Meissnerov efekt. Vykopali sme pre vás jeden z týchto pohľadov na sieť. Skupina „Exos“ ukazuje svoje triky. Žiadna mágia, iba fyzika.

Záhadné kvantové javy stále ohromujú vedcov svojim nepredstaviteľným správaním. Skôr sme o tom hovorili, dnes budeme zvažovať ďalší kvantovo mechanický jav - supravodivosť.

Čo je to supravodivosť? Supravodivosť je kvantový jav toku elektrického prúdu v pevnej látke bez strát, to znamená pri striktne nulovom elektrickom odpore telesa.

So zavedením takej koncepcie, ako je „absolútna nula“ do fyziky, vedci začali stále viac študovať vlastnosti látok pri nízkych teplotách, keď pohyb molekúl prakticky chýba. Na dosiahnutie nízkych teplôt je potrebný proces, ako je „skvapalnenie plynu“. Pri odparovaní taký plyn odoberá energiu z tela, ktoré je do tohto plynu ponorené, pretože na oddelenie molekúl od kvapaliny je potrebná energia. Podobné procesy prebiehajú v domácich chladničkách, kde sa freón skvapalneného plynu odparuje v mrazničke.

Koncom 19. - začiatkom 20. storočia sa už získavali také skvapalnené plyny ako kyslík, dusík, vodík. Hélium dlho nepodľahlo skvapalneniu a očakávalo sa, že pomôže dosiahnuť minimálnu teplotu.

Úspech v skvapalňovaní hélia dosiahol holandský fyzik Heike Kamerling-Onnes v roku 1908, ktorý pracoval na univerzite v Leidene (Holandsko). Skvapalnené hélium umožnilo dosiahnuť rekordne nízku teplotu - asi 4 K. Po prijatí tekutého hélia vedec začal skúmať vlastnosti rôznych materiálov pri teplotách hélia.

História objavov

Jednou z otázok, ktoré zaujímali Kamerling-Onnes, bolo štúdium odolnosti kovov pri ultranízkych teplotách. Bolo známe, že so zvyšujúcou sa teplotou rastie aj elektrický odpor. Preto sa dá očakávať, že s klesajúcou teplotou bude pozorovaný opačný efekt.

V roku 1911 experimentoval s ortuťou a vedec ho zmrazil a pokračoval v znižovaní teploty. Po dosiahnutí 4,2 K zariadenie zastavilo zaznamenávanie odporu. Onnes nahradil zariadenia vo výskumnom zariadení, pretože sa obával, že budú fungovať nesprávne, ale zariadenia vždy vykazovali nulový odpor, napriek tomu, že stále bolo 4 K. až absolútna nula.

Po objave supravodivosti v ortuti vyvstalo veľké množstvo otázok. Medzi nimi: „Je supravodivosť inherentná aj iným látkam okrem ortuti?“ alebo „odpor klesne na nulu, alebo je taký malý, že ho existujúce zariadenia nedokážu zmerať.

Onnes navrhol pôvodnú štúdiu s nepriamym meraním, na akú úroveň odpor klesá. Elektrický prúd budený v polovodičovom obvode, ktorý bol meraný odklonom magnetickej ihly, nezanikol niekoľko rokov. Podľa výsledkov tohto experimentu bol vypočítaný elektrický odpor supravodiča rovný 10-25 Ohm.m. V porovnaní so špecifickým elektrickým odporom medi (1,5–10–8 Ohm.m) je táto hodnota o 7 rádov nižšia, čo ju robí prakticky nulovou.

Meissnerov efekt

Supravodiče majú okrem supravodivosti ešte jednu výraznú vlastnosť, a to Meissnerov efekt. Ide o jav rýchleho rozpadu magnetického poľa v supravodiči. Supravodič je diamagnet, to znamená, že v magnetickom poli v supravodiči sa indukujú makroskopické prúdy, ktoré vytvárajú vlastné magnetické pole, ktoré úplne kompenzuje vonkajšie.

Meissnerov efekt zmizne v silných magnetických poliach. V závislosti od typu supravodiča (o tom neskôr) supravodivý stav buď úplne zmizne (supravodiče typu I), alebo sa supravodič rozdelí na normálne a supravodivé oblasti (typ II). Práve tento efekt môže vysvetliť levitáciu supravodiča nad silným magnetom alebo magnetu nad supravodičom.

Teoretické vysvetlenie účinku supravodivosti

Fenomenologický prístup. Aj keď je Kamerlingh Onnes objaviteľom supravodivosti, prvú teóriu supravodivosti prvýkrát navrhli v roku 1935 nemeckí fyzici a bratia Fritz a Heinz London. Vedci sa snažili matematicky zaznamenať také vlastnosti supravodiča, akými sú supravodivosť a Meissnerov efekt, bez toho, aby sa ponorili do mikroskopických príčin supravodivosti, fenomenologicky. Odvodené rovnice umožnili vysvetliť Meissnerov efekt tak, že vonkajšie magnetické pole mohlo preniknúť do supravodiča len do určitej hĺbky, v závislosti od takzvanej londýnskej hĺbky prieniku. Na vysvetlenie supravodivosti bol požadovaný predpoklad, že nosičmi prúdu v supravodiči, ako v kove, sú elektróny. Nulový odpor zároveň znamená, že elektrón pri svojom pohybe nepociťuje kolízie. Pretože to platí pre všetky vodivé elektróny, existuje prúd elektrónov bez odporu.

Je zrejmé, že táto teória nevysvetľuje podstatu tohto javu, ale iba ho opisuje a umožňuje predpovedať jeho správanie v mnohých prípadoch. Hlbšiu, ale aj, fenomenologickú teóriu navrhli v roku 1950 sovietski teoretickí fyzici Lev Landau a Vitaly Gnizburg.

Teória BCS. Prvé kvalitatívne vysvetlenie javu supravodivosti bolo navrhnuté v rámci takzvanej teórie BCS, ktorú zostavili americkí fyzici John Bardeen, Leon Cooper a John Schrieffer. Táto teória vychádza z predpokladu, že medzi elektrónmi môže za určitých podmienok dôjsť k príťažlivosti. Príťažlivosť, ktorá je spôsobená rôznymi excitáciami, predovšetkým vibráciami kryštálovej mriežky, je schopná vytvárať „Cooperove páry“ - viazané stavy dvoch elektrónov v kryštáli. Takýto pár sa môže pohybovať v kryštáli bez toho, aby bol rozptýlený vibráciami kryštálovej mriežky alebo nečistotami. V látkach s teplotami ďaleko od nuly je dostatok energie na „rozbitie“ takéhoto páru elektrónov, zatiaľ čo pri nízkych teplotách systém nemá dostatok energie. Výsledkom je tok viazaných elektrónov - Cooperových párov, ktoré prakticky neinteragujú s hmotou. V roku 1972 získali D. Bardeen, L. Cooper a D. Schrieffer Nobelovu cenu za fyziku.

Neskôr sovietsky teoretický fyzik Nikolaj Bogolyubov zdokonalil teóriu BCS. Vedec vo svojich prácach podrobne popísal podmienky, za ktorých môžu Cooperove páry vznikať (energia blízka energii Fermiho, určité zatočenia atď.) V dôsledku kvantových efektov. Elektróny sú oddelene častice s spinom celého čísla (fermióny), ktoré nie sú schopné vytvárať sa a prechádzať do superfluidného stavu. Keď existuje Cooperov pár elektrónov, potom je to kvazičastica s celočíselným spinom a je. Za určitých podmienok sú bozóny schopné vytvárať Bose-Einsteinov kondenzát, to znamená látku, ktorej častice zaberajú rovnaký stav, čo vedie k vzniku superfluidity. Táto superfluidita elektrónov vysvetľuje účinok supravodivosti.

Supravodiče v striedavom elektrickom poli

Okrem supravodivosti a Meissnerovho efektu majú supravodiče množstvo ďalších vlastností. Stojí za zmienku nasledujúce - nulový odpor supravodičov je charakteristický iba pri jednosmernom prúde. Striedavé elektrické pole robí odpor supravodiča nenulovým a rastie so zvýšením frekvencie poľa.

Rovnako ako model s dvoma tekutinami rozdeľuje superfluidný materiál na superfluidnú oblasť a oblasť bežnej látky, aj tok elektrónov je rozdelený na supravodivé a bežné. Konštantné pole by supravodivé elektróny urýchlilo na nekonečno (vzhľadom na ich nulový odpor), čo je nemožné, pretože pri dopade na supravodič sa zmení na nulu. Pretože na supravodiče nepôsobí konštantné elektrické pole, nie sú ním ovplyvnené ani obyčajné elektróny (sú jednoducho vytlačené), čo znamená, že pohyb predstavujú iba supravodivé elektróny.

V prípade striedavého elektrického poľa nastáva proces zrýchlenia elektrónov, po ktorom nasleduje spomalenie, ktoré je fyzicky možné. V tomto prípade existuje aj prúd bežných elektrónov, ktoré majú vlastnosť odporu. Čím je frekvencia takéhoto poľa vyššia, tým sú účinky bežných elektrónov manifestnejšie.

Londýnska chvíľa

Ďalšou zaujímavou vlastnosťou supravodiča je londýnsky moment. Podstatou javu je, že rotujúci supravodič vytvára magnetické pole, ktoré je zarovnané presne pozdĺž osi otáčania vodiča.

Ďalšie skúmanie tohto javu viedlo k objavu londýnskeho gravitačného magnetického momentu. V roku 2006 vedci Martin Tajmar z ARC Seibersdorf Research, Rakúsko a Clovis de Matos z Európskej vesmírnej agentúry (ESA) zistili, že zrýchlený supravodič vytvára aj gravitačné pole. Takéto gravitačné pole je však asi 100 miliónov krát slabšie ako zemské.

Klasifikácia supravodičov

Existuje niekoľko klasifikácií supravodičov na základe nasledujúcich kritérií:

Reakcia na magnetické pole. Táto vlastnosť rozdeľuje supravodiče do dvoch kategórií. Supravodiče typu I majú jednu kritickú hodnotu magnetického poľa, pri prekročení ktorej strácajú supravodivosť. Typ II - majú dve limitné hodnoty magnetického poľa. Keď je na supravodiče tejto kategórie aplikované magnetické pole obmedzené na tieto hodnoty, pole čiastočne prenikne dovnútra, pričom si zachová supravodivosť.
Kritická teplota. Rozlišujte medzi nízkoteplotnými a vysokoteplotnými supravodičmi. Prvé majú vlastnosť supravodivosti pri teplotách pod -196 ° C alebo 77 K. Vysokoteplotné supravodiče sú s teplotami nad touto hodnotou spokojné. Toto oddelenie prebieha, pretože vysokoteplotné supravodiče sa v praxi môžu používať ako chladiče.
Materiál. Tu sa rozlišujú tieto odrody: čistý chemický prvok (ako ortuť alebo olovo), zliatiny, keramika, organické alebo na báze železa.
Teoretický popis. Ako viete, každá fyzikálna teória má určitú oblasť použitia. Z tohto dôvodu má pre ďalšiu aplikáciu zmysel klasifikovať supravodiče podľa teórií, ktoré môžu opísať ich povahu.

Supravodivosť grafénu

Grafén je v posledných rokoch stále obľúbenejším. Pripomeňme, že grafén je vrstva modifikovaného uhlíka hrubá jeden atóm. V prvom rade to bolo uľahčené objavením uhlíkových nanorúrok - špecifického super pevného materiálu, ktorý je vytvorený valcovaním jednej alebo viacerých vrstiev grafénu.

V roku 2018 skupina vedcov z Massachusettského technologického inštitútu a Harvardskej univerzity vedená profesorom Pablom Jarillom-Herrerom zistila, že keď sú otočené pod určitým („magickým“) uhlom, dva grafénové listy sú úplne bez elektrickej vodivosti. Keď vedci aplikovali na materiál napätie pridaním malého počtu elektród do tejto štruktúry grafénu, zistili, že na určitej úrovni elektróny unikli zo svojho pôvodného izolačného stavu a prúdili bez odporu. Najdôležitejším znakom tohto javu je, že supravodivosť uvedenej štruktúry grafénu bola získaná pri izbovej teplote. A hoci je vysvetlenie tohto účinku stále otázne, jeho potenciál v oblasti dodávok energie je pomerne vysoký.

Aplikácia supravodičov

Supravodiče sa zatiaľ veľmi nepoužívajú, ale vývoj v tejto oblasti aktívne pokračuje. Vďaka Meissnerovmu efektu sú teda vlaky maglev „vznášajúce sa“ nad cestou možné.

Supravodiče sa už používajú na výrobu super výkonných generátorov turbín, ktoré je možné použiť v elektrárňach.

Cryotron je ďalšou aplikáciou supravodivosti, ktorá môže byť užitočná pre technológie a elektronické zariadenia. Jedná sa o zariadenie, ktoré dokáže vo veľmi krátkom čase (od 10⁻⁶ do 10⁻¹¹s) prepnúť stav supravodiča z bežného na supravodivý. Kryotrony je možné použiť v informačných systémoch spojených s memorovaním a kódovaním. Prvýkrát sa teda použili ako úložné zariadenia v počítačoch. Kryotrony môžu tiež pomôcť v oblasti kryoelektroniky, medzi ktorej úlohy patrí zvýšenie citlivosti prijímačov signálu a čo najlepšie zachovanie tvaru signálu. Tu je dosiahnutie stanovených cieľov uľahčené nízkymi teplotami a vplyvom supravodivosti.

Tiež kvôli absencii odporu v supravodičoch by káble z takejto látky dodávali elektrinu bez tepelných strát, čo by výrazne zvýšilo účinnosť napájania. Dnes takéto káble vyžadujú chladenie kvapalným dusíkom, čo zvyšuje náklady na ich prevádzku. Výskum v tejto oblasti však prebieha a prvý prenos energie na báze supravodičov spustil v New Yorku v roku 2008 americký supravodič. V roku 2015 Južná Kórea oznámila svoj zámer postaviť niekoľko tisíc kilometrov supravodivých elektrických vedení. Ak k tomu pridáme nedávny objav supravodivosti grafénu pri izbovej teplote, potom by sme v blízkej budúcnosti mali očakávať globálne zmeny v oblasti napájania.

Okrem týchto oblastí použitia sa v meracej technológii používa aj supravodivosť, od fotónových detektorov po meranie geodetickej precesie pomocou supravodivých gyroskopov na vesmírnej lodi Gravity Probe B. Toto meranie potvrdilo Einsteinovu predikciu prítomnosti takejto precesie z dôvodov uvedených vo všeobecnej relativite. Bez toho, aby sme sa ponorili do mechanizmu merania, treba poznamenať, že údaje o geodetickej precesii Zeme umožňujú presnú kalibráciu umelých satelitov Zeme.

Keď sa zhrnú vyššie uvedené výsledky, záver naznačuje, že účinok supravodivosti je v mnohých oblastiach sľubný a že má veľký potenciál supravodičov, predovšetkým v oblastiach napájania a elektrotechniky. V blízkej budúcnosti očakávame veľa objavov v tejto oblasti.