Warto przeczytać

Przewodzenie prądu przez różne materiały wiąże się z występowaniem oporu elektrycznego. Wynika to z oddziaływania elektronów, które są nośnikami prądu, z atomami lub cząsteczkami sieci krystalicznej przewodnika. Warto zapoznać się z informacjami na ten temat, zawartymi w e‑materiale „Badania jak zmienia się opór elektryczny przewodu wykonanego z metalu w zależności od temperatury”.

RMeo0xHykRkmY

Rys. 1. Zdjęcie poglądowe przedstawia mężczyznę lekko uśmiechniętego, w średnim wieku, w garniturze, z wąsem, łysiejącego.

Okazuje się jednak, że niektóre materiały w bardzo niskich temperaturach mogą przejść w stan, w którym nie mają w ogóle oporu elektrycznego. Zjawisko to, zwane nadprzewodnictwem, wykrył w 1911 roku holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes (Rys. 1.). Materiał, w którym występuje to zjawisko nazywa się nadprzewodnikiem.

W większości przypadków, nadprzewodniki, poza zerowym oporem elektrycznym, są także idealnymi diamagnetykamidiamagnetykdiamagnetykami. Zewnętrzne pole magnetyczne jest równoważone dzięki prądom płynącym na powierzchni i w efekcie wewnątrz nadprzewodnika całkowite pole magnetyczne ma wartość zerową. Wygląda to tak, jakby linie pola magnetycznego były z niego wypychane (patrz – Rys. 2.). Zjawisko to nazywa się efektem Meissneraefekt Meissneraefektem Meissnera. Istnieją jednak takie nadprzewodniki, dla których w określonych warunkach dochodzi do wnikania pola magnetycznego do jego wnętrza i utworzenia stanu mieszanego.

RX3GadZNEzrZb

Rys. 2. Na ilustracji widoczny jest owalny kształt o czarnych krawędziach i szarym środku. Kształt jest wydłużony w kierunku pionowym. Wokół owalnego kształtu widoczne są pionowe strzałki skierowane w górę i narysowane szarymi liniami. Strzałki zewnętrzne są proste, natomiast te które przechodziłyby przez owalny kształt omijają go. Strzałki symbolizują linie pola magnetycznego omijające nadprzewodnik. Zjawisko to nazywane jest efektem Meissnera.

Siły wywołane prądami powierzchniowymi mogą utrzymywać nadprzewodnik nad lub pod magnesem, czyli w stanie lewitacjilewitacjalewitacji. Technicznie łatwiej jest doprowadzić do lewitacji magnesu nad nadprzewodnikiem, jak widać to na zdjęciu (Rys. 3.).

R1UG5uxft2lsM

Rys. 3. Na zdjęciu widoczny jest cylindryczny magnes, którego wysokość jest znacznie mniejsza niż promień. Magnes lewituje nad powierzchnią nadprzewodnika w postaci większego walca umieszczonego pod magnesem. Zjawisko taki zachodzi w bardzo niskich temperaturach, porównywalnych z temperaturą na przykład ciekłego azotu. Na zdjęciu widoczna mgła wokół nadprzewodnika co prawdopodobnie jest spowodowane parowaniem ciekłego azotu.

Podsumowując dotychczasowe rozważania, możemy podać definicję nadprzewodnictwa.

Nadprzewodnictwo to zjawisko spadku oporu elektrycznego ciała stałego do zera oraz wypychania pola magnetycznego z jego wnętrza.

Skąd wiadomo, że opór elektryczny nadprzewodnika jest dokładnie równy zero? Gdy w nadprzewodniku wzbudzi się wirowy prąd elektryczny jego natężenie nie zmienia się przez wiele lat, co obserwujemy w laboratoriach fizycznych.

Kłopot związany z wykorzystaniem nadprzewodnictwa w praktyce polega na tym, że zjawisko to występuje w bardzo niskich temperaturach, najczęściej poniżej -234 Indeks górny o^oC. Trwają jednak prace zespołów badawczych nad uzyskaniem tego efektu w temperaturze pokojowej. Nietrudno sobie wyobrazić, jak zmieniłoby to nasz świat, gdybyśmy mogli używać prądu elektrycznego bez żadnych strat energii. W chwili, gdy piszemy ten materiał, rekordowo wysoka temperatura nadprzewodnictwa wynosi zaledwie – 23 Indeks górny o  Indeks górny koniec^o C. Osiągnięto to dla wodorku lantanu. Aby go utworzyć, lantan i wodór umieszczono w komorze i poddano ciśnieniu 1,7 miliona większemu niż atmosferyczne (źródło: https://www.nature.com/articles/s41586‑019‑1201‑8).

Materiały, z których można skonstruować nadprzewodnik są różne. To zarówno pierwiastki, jak i stopy, związki chemiczne organiczne i nieorganiczne. Zdarza się, że materiał nadprzewodzący w temperaturze wyższej niż krytyczna jest izolatorem.

Zjawiska nadprzewodnictwa nie da się wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej. Jest to efekt kwantowy. Przez długi czas nie istniało żadne przekonujące wyjaśnienie tego zjawiska. Pierwsza teoria opisująca mikroskopowy mechanizm efektu powstała w 1957 roku. Jej autorzy - John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer otrzymali za nią nagrodę Nobla w 1972 r. W dużym uproszczeniu, teoria ta opiera się na postulacie, że: w stanie nadprzewodnictwa prąd elektryczny przenoszony jest przez pary elektronów o przeciwnie skierowanych spinachspinspinach. Pojedyncze elektrony są fermionami (czyli cząstkami o spinie równym ½) i nie mogą zajmować tych samych stanów energetycznych. Ich para jest już jednak bozonem (cząstką o spinie całkowitym, w tym wypadku równym 0), a bozonów nie obowiązuje ten zakaz. Wszystkie mogą zajmować najniższy kwantowy poziom energetyczny i nie brać udziału w procesie rozpraszania energii wskutek oddziaływania z siecią krystaliczną. Elektrony tworząc parę oddziałują za pośrednictwem sieci krystalicznej, dlatego odbywa się to tylko przy małych temperaturach, w których drgania atomów w sieci nie zakłócają tego oddziaływania.

Słowniczek