Nadprzewodnictwo i nadprzewodniki

Nadprzewodnictwo, zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w niektórych metalach, ich stopach oraz w pewnych spiekach ceramicznych (spiek). Materiał, dla którego zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa, nazywany jest nadprzewodnikiem. Ze względu na charakter przemiany fazowej towarzyszącej przejściu materiału ze stanu przewodzącego w nadprzewodzący wyróżnia się dwa rodzaje nadprzewodników: tzw. nadprzewodniki I lub II rodzaju.

Odkrycie zjawiska nadprzewodnictwa


Zjawisko nadprzewodnictwa zostało odkryte w 1911 r. przez holenderskiego fizyka Heike Kammerlingh Onnes’a w trakcie badań własności rtęci w temperaturze –269 st. C. W temp. 4, 2 K nieoczekiwanie opór elektryczny drutu wykonanego zestalonej rtęci po prostu zniknął. Prąd płynął bez strat energii Ustalono, że poniżej pewnych krytycznych wartości temperatury, natężenia pola magnetycznego i gęstości prądu półprzewodniki tracą całkowicie oporność elektryczną. Wewnątrz tego charakterystycznego obszaru materiał posiada oporność elektryczną właściwą równą zeru. W sąsiednim, przejściowym obszarze parametr ten szybko wzrasta w miarę zwiększania wspomnianych trzech wielkości. Na zewnątrz tego obszaru materiał zachowuje się jak zwykły przewodnik o oporności właściwej niezależnej od pola magnetycznego i gęstości prądu.
Nadprzewodnictwo rtęci okazało się nietrwałe. Pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący bez oporu powodowało zanikanie tego zjawiska. Ta jego wrażliwość, podatność na swoje własne pole magnetyczne była i jest nadal jedną z trzech przeszkód w rozwoju badań nad samym zjawiskiem i nad jego zastosowaniami. Wkrótce okazało się, że nie tylko rtęć, ale i inne metale i ich stopy mają własności nadprzewodzące poniżej pewnej temperatury, nazwanej temperaturą krytyczną Tc.
Druga przeszkoda związana była i jest nadal z tym, że temperatura krytyczna Tc jest dla większości materiałów zbyt niska, aby mogły one znaleźć zastosowanie w technice. Materiały te wymagają chłodzenia. Nawet dla materiałów ceramicznych odkrytych pod koniec XX wieku, które wykazują tzw. nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe nie są to temperatury nawet zbliżone do pokojowej. Stan nadprzewodzący może zaniknąć po umieszczeniu nadprzewodnika w dostatecznie silnym polu magnetycznym, nawet gdy materiał znajduje się w temperaturze mniejszej od krytycznej (gdy w nadprzewodniku płynie wtedy prąd elektryczny, zanikowi nadprzewodnictwa towarzyszy wydzielanie ciepła, mające w przypadku silnych elektromagnesów charakter eksplozji).
Nadprzewodniki – materiały, dla których zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa
Zastosowanie nadprzewodników:
a. budowa wielkopojemnych pamięci superkomputerów
b. budowa nowoczesnej aparatury analitycznej stosowanej w chemii i medycynie (aparaty do magnetycznego rezonansu jądrowego)
Temperatura krytyczna – temperatura, w której substancja staje się nadprzewodząca.
Trzecia przeszkoda w rozpowszechnieniu zastosowań nadprzewodnictwa może być uznana za przyczynę pierwszych dwóch. Jest to brak teorii, która by wyjaśniła nadprzewodnictwo w zadowalający sposób.

Nadprzewodnictwo a technologia chemiczna
Wielu chemikom technologia chemiczna kojarzy się z dymiącymi kominami i cysternami, piecami i kopalniami.
Nadprzewodnictwo nie jest wyjątkiem, ale regułą w świecie otaczającej nas materii. Zastosowanie tego zjawiska, polegającego na zaniku oporu elektrycznego przewodników w pewnych warunkach prowadzi do znacznego zmniejszenia zużycia energii, a nawet niekiedy do prawie całkowitej eliminacji jej zużycia na jednostkę produktu. Według aktualnej wiedzy nadprzewodnictwo występuje w ponad 26 pierwiastkach metalicznych oraz wielu stopach i związkach.

Teoria BCS
Teoretyczne wyjaśnienie zjawiska nadprzewodnictwa zostało podane w 1957r. Przez Johna Bardeena, Leona N. Coopera oraz Johna Roberta Schrieffera i jest znana jako teoria BCS.
Według tej teorii elektron poruszający się w sprężystej sieci krystalicznej wytwarza niewielką deformację, pochodzącą od sił kulombowskich między dodatnio naładowaną siecią a ujemnie naładowanym elektronem. Jeśli ta deformacja utrzymuje się przez pewien skończony czas, może wpłynąć na inny elektron, który przez nią przechodzi.
Zjawisko nadprzewodnictwa dla metalicznych nadprzewodników wyjaśniono rozpatrując kondensację Bosego-Einsteina zachodzącą w cieczy zbudowanej z elektronów przewodnictwa w metalu, powiązanych ze sobą w pary w odpowiednio niskiej temperaturze ciecz ta przechodzi w stan nadciekły (nadpłynność), co obserwujemy jako zanik oporu elektrycznego.
W 1956r. Cooper wykazał, że w wyniku tego zjawiska prąd elektryczny w nadprzewodnikach jest przenoszony nie przez pojedyncze elektrony, lecz pary związanych elektronów, zwane parami Coopera.
Teoria BCS posługuje się funkcją falową, opisującą stan, w którym wszystkie elektrony są połączone w pary. Ponieważ pęd całkowity pary Coopera nie zmienia się wskutek oddziaływania między jednym z jej elektronów a siecią, strumień elektronów płynie bez końca. Cewki nadprzewodzące, w których mogą płynąć bez końca duże prądy, można wykorzystać do wytwarzania silnych pól magnetycznych i do tego celu stosuje się je w niektórych akceleratorach cząstek i innych urządzeniach. Nadprzewodnictwo może występować także w układach ciężkich fermionów wskutek działania mechanizmu nieco bardziej skomplikowaniego niż w teorii BCS.
Brak strat energii na wydzielenie ciepła w trakcie przepływu energii w trakcie przepływu prądu elektrycznego w nadprzewodniku stwarza możliwości praktycznego zastosowania nadprzewodników. Ograniczeniem w ich stosowaniu jest konieczność utrzymywania materiału w niskiej temperaturze oraz to, że poznane dotychczas nadprzewodniki wysokotemperaturowe są materiałami ceramiczymi.
Nadprzewodniki metaliczne wykorzystywane są głównie w silnych elektromagnesach
Nie brak różnych teorii, których autorzy próbują wyjaśnić nadprzewodnictwo. Teorie te przeważnie są modyfikacjami teorii par elektronowych Coopera. Trzeba podkreślić, że gdyby tradycyjne koncepcje elektryczności były prawidłowe, gdyby elektrony w przewodniku były maleńkimi cząstkami materii, które wykonują ruchy cieplne i zderzają się z węzłami sieci krystalicznej, to nadprzewodnictwo nie powinno istnieć. Przeciwnie, w temperaturach bliskich zera bezwzględnego opór elektryczny powinien wzrastać nawet do nieskończoności. Ruch cieplny przecież w tych temperaturach zamiera. Uczeni współcześni holenderskiemu odkrywcy nadprzewodnictwa właśnie tego się spodziewali i byli zaskoczeni wystąpieniem zjawiska zupełnie innego.
Teorie nadprzewodnictwa, które powstały w XX wieku częściowo tylko wyjaśniły to zjawisko. Teoria BCS, którą stworzyli wspólnie w roku 1957 John Bardeen, Leon N. Cooper i John R. Schrieffer odegrała niemałą rolę w badaniach, które w latach osiemdziesiątych pozwoliły uzyskać nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Georg Bednorz i Alexander Mller uzyskali za te badania nagrodę Nobla w r. 1987.
Teoria BCS, która przewidywała łączenie się elektronów w pewnych warunkach w tak zwane pary Coopera odegrała znaczną rolę w wyjaśnieniu zjawiska Josephsona. Zjawisko Josephsona polega na przewodzeniu par Coopera przez układ składający sie z dwóch warstw nadprzewodnikowych przedzielonych warstwą dielektryku (złącze Josephsona) i ma duże praktyczne zastosowanie.
W historii technologii i techniki najlepiej znanym przykładem hamowania wzrostu techniki przez brak teorii wyjaśniającej ogół faktów jest przykład zastosowań elektryczności. Po genialnych eksperymentach, które przeprowadził Michael Faraday w pierwszej połowie XIX wieku, technologowie długo nie mogli wchłonąć tych wyników. Zaowocowały one w przemyśle rozwiązaniami i dalszymi wynalazkami i innowacjami dopiero wtedy, gdy James Clerk Maxwell stworzył spójną teorię elektryczności w kilkadziesiąt lat później. Teoria ta stworzyła warunki, w których Thomas Alva Edison mógł dopiero wystąpić ze swoimi wynalazkami, które były przełomem w zastosowaniach elektryczności.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
W 1986r Johannes Georg Bednorz i Karl Alex Mller odkryli najprawdopodobniej całkowicie inny typ nadprzewodnictwa. Zwane jest ono nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, ponieważ temperatura krytyczna jest dużo wyższa niż w nadprzewodnikach BCS. Niektóre nadprzewodniki wysokotemperaturowe mają temperaturę krytyczną wyższą od 100K. Typowym nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym jest YBa2Cu3O1-7. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe – materiały, dla których zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa w temperaturze przekraczającej 30K. Są to różnego rodzaju spieki ceramiczne zawierające tlenki metali przejściowych. Jak dotąd nie udało się stworzyć jednolitej teorii nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego pomimo wielu wysiłków, które wciąż trwają. Mechanizmu BCS ani jego modyfikacji z pewnością nie można tu zastosować
Wbrew początkowym oczekiwaniom, nadprzewodniki wysokotemperaturowe otrzymane w końcu XX wieku przez laureatów Nagrody Nobla: Bednorza, Muellera i ich następców nie były metalami ale materiałami ceramicznymi.
Te ceramiczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe stały się popularne w szkołach, ponieważ umożliwiały przeprowadzenie bardzo efektownych samodzielnych doświadczeń wytrwałym i dociekliwym uczniom. Okazało się, że niektóre z nich można otrzymać w warunkach szkolnych w dobrze wyposażonej szkole metodą spiekania.
Znanym nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym jest Bi2Sr2Ca2Cu3O10, który ma wysoką temperaturę krytyczną Tc=110K. W eksperymencie z jego użyciem można również zaobserwować bardzo efektowne zjawisko Meissnera lewitacji małego magnesu.

Zastosowanie przemysłowe
Nadprzewodniki mają zastosowanie jako materiał do wytwarzania uzwojenia elektromagnesów, ponieważ elektromagnesy z takimi uzwojeniami nie rozpraszają energii, mają mniejszą masę i są tańsze od elektromagnesów zwykłych.
Uzwojenie nadprzewodzące składa się ze stopu niobu z tytanem Nb-Ti, którego Tc=10K. Gęstość prądu nasycenia dla tego nadprzewodnika równa jest 6*104 A*cm-2 przy natężeniu pola magnetycznego H=64000A*cm-1. Elektromagnesy te osiągają indukcję pola magnetycznego do 8 Tesli. Zastosowanie nadprzewodnika o składzie Nb3Sn do wytworzenia uzwojenia pozwala wytworzyć pola o indukcji 17T. Temperatura krytyczna tego nadprzewodnika wynosi Tc=18K, a gęstość prądu nasycenia 105 A*cm-2 w polu magnetycznym 110000 A*cm-2.
Uzwojenia wykonane z nadprzewodników znalazły zastosowanie w przemyśle chemicznym do budowy aparatów do elektrolizy.
Nadprzewodniki służą do wytwarzania kabli do przesyłania prądu stałego lub zmiennego bez strat. Koszt stosowania takich kabli jest na razie znaczny, ponieważ muszą być one chłodzone.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe ceramiczne, które mają wyższe wartości temperatury krytycznej mają budowę warstwową, dlatego są one kruche i łatwo korodują. Utrudnia to ich przemysłowe zastosowanie.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe znajdą wkrótce powszechne zastosowanie w przemyśle chemicznym. Dlatego ich własności i sposoby wytwarzania są ważne dla technologii chemicznej.
Brak strat energii na wydzielanie ciepła w trakcie przepływu prądu elektrycznego w nadprzewodniku stwarza możliwości praktycznego zastosowania nadprzewodników. Ograniczeniem w ich stosowaniu jest konieczność utrzymywania materiału w niskiej temperaturze, oraz to, że poznane dotychczas nadprzewodniki wysokotemperaturowe są materiałami ceramicznymi (a więc są kruche, sztywne itd.). Nadprzewodniki metaliczne wykorzystywane są głównie w silnych elektromagnesach. Trwają prace nad uzyskaniem materiałów i technologii umożliwiających konstruowanie z nadprzewodników wysokotemperaturowych nadprzewodzących energetycznych linii przesyłowych, silników elektrycznych itp. Nadprzewodniki mogą znaleźć zastosowanie również w elektronice (złącze Josephsona).
Właściciele sieci elektroenergetycznych dokładają starań, aby zmniejszyć zagrożenia towarzyszące zwarciom wielkoprądowym. Zestarzenie izolacji, wypadek lub uderzenie pioruna może wywołać przepływ prądu zwarciowego o natężeniu ograniczonym jedynie przez impedancję sieci między źródłem i miejscem zwarcia. Największe prądy zwarciowe mogą przekraczać ponad 100 razy prąd normalnego obciążenia, prowadząc do nadmiernych narażeń cieplnych i mechanicznych o wielkości proporcjonalnej do kwadratu prądu. Zagrożenie to stale wzrasta w miarę rozbudowy systemów elektroenergetycznych, któremu towarzyszy zwiększanie mocy zwarciowych. Wszystkie elementy systemu elektroenergetycznego zostały zaprojektowane na określoną wytrzymałość na przepływ krótkotrwałego prądu zwarcia. Zapewnienie wyższej wytrzymałości zwarciowej podnosi koszt urządzenia, jak również zwiększa nakłady na remonty, gdyż przepływ większych prądów przyspiesza zużycie elementów torów prądowych.
Zastosowanie urządzeń ograniczających ewentualne prądy zwarcia umożliwia obniżenie wymaganej wytrzymałości zwarciowej elementów systemu i zapewnia redukcję kosztów. Wynika stąd zapotrzebowanie na tzw. ograniczniki prądu zwarcia, które nie wywierają wpływu na przepływ prądu w czasie normalnej pracy sieci. Działanie dotychczas stosowanych ograniczników oparte było na rozstrajaniu obwodu rezonansowego złożonego z indukcyjności i pojemności na nieliniowych elementach, takich jak półprzewodniki, dławiki z rdzeniem żelaznym lub na nadprzewodnikach. Wszystkie wymienione sposoby nie są pozbawione praktycznych wad, jednak wśród nieliniowych materiałów nadprzewodniki wyróżniają się unikalną charakterystyką o skokowym przejściu rezystancji od wartości zerowej przy prądach roboczych do znacznych wartości przy przetężeniach prądowych.
Dotychczas opracowano dwa typy nadprzewodzących ograniczników prądu zwarcia (SCFCL- superconducting fault current limiters): rezystancyjne i indukcyjne, których budowę objaśniono na poglądowych rysunkach. Prostszym rozwiązaniem jest ogranicznik rezystancyjny, w którym nadprzewodnik jest włączany szeregowo z chronioną linią. Dla zachowania stanu nadprzewodnictwa, ogranicznik jest zanurzony w cieczy chłodzącej o stałej temperaturze, natomiast prąd i pole magnetyczne mogą ulegać zmianie. Dostatecznie duży przekrój poprzeczny nadprzewodnika zapewnia gęstość prądu mniejszą od krytycznej. W tych warunkach rezystancja wynosi dokładnie zero, a impedancja dla prądu przemiennego jest pomijalnie mała. Nieznaczna reaktancja indukcyjna elementu jest spowodowana nieuniknionymi wymiarami nadprzewodnika. W układzie występują także straty cieplne wywołane prądami wirowymi wyindukowanymi przez zmienne pole magnetyczne. W przypadku zwarcia, wzrost gęstości prądu i natężenia pola magnetycznego wywołuje przesunięcie punktu pracy ogranicznika z wewnętrznego obszaru nadprzewodnictwa do strefy przejściowej. Nagły wzrost rezystancji nadprzewodnika powoduje pierwsze ograniczenie prądu zwarcia. Towarzyszący mu przyrost temperatury powiększa rezystancję materiału i wywołuje dalszy spadek prądu, zanim nastąpi jego przerwanie przez wyłącznik. Indukcyjny ogranicznik jest w zasadzie transformatorem, którego uzwojenie wtórne zwarto za pomocą nadprzewodnika. Uzwojeniem pierwotnym jest cewka włączona szeregowo w zabezpieczaną linię. Przy zaniedbaniu parametrów wzdłużnych transformatora ogranicznik indukcyjny wykazuje identyczne działanie jak jego rezystancyjny odpowiednik.
Prace nad wykorzystaniem niskotemp\eraturowych nadprzewodników do ograniczania prądów zwarciowych prowadziły m. in. GEC Alstom, EdF, Toshiba i Tepco. Jednak z powodu nadmiernych kosztów uzyskania wymaganej, ekstremalnie niskiej temperatury, badania te zakończyły się niepowodzeniem. Dopiero odkrycie wysokotemperaturowych nadprzewodników, które pracują w wyższych temperaturach (chłodzone ciekłym azotem w temperaturze -196 st. C) otworzyło drogę do realizacji ekonomicznie opłacalnych SCFCL. Liderem na tym polu jest firma ABB, której ograniczniki prądów zwarcia wykorzystują nadprzewodnik wysokotemperaturowy oparty na bizmucie Bi2212. Pierwszy prototyp SCFCL typu indukcyjnego o mocy 1, 2 MVA powstał w 1996 roku i pomyślnie przeszedł próby w szwajcarskiej elektrowni wodnej NOK. Ponieważ ograniczniki indukcyjne posiadają złożoną budowę przy znacznej masie i wymiarach, więc ABB skierowało badania ku prostszym konstrukcjom ograniczników rezystancyjnych. W rezystancyjnych SCFCL przewody uzwojeń zastąpiono arkuszami materiału ceramicznego Bi2212. Najnowszy prototyp nadprzewodnikowego ogranicznika zwarć firmy ABB posiada moc 6, 4 MVA i jest największym, jak dotychczas, układem tego rodzaju na świecie.
Przeprowadzone próby SCFCL potwierdziły ich absolutną niezawodność działania wynikającą z samej natury zjawiska nadprzewodnictwa, która zapewnia także nieograniczoną liczbę zadziałań bez zużycia urządzenia.
Nadprzewodnikowe ograniczniki zwarć znajdą szerokie zastosowanie w rozwijających się systemach elektroenergetycznych. Dla uzyskania sztywnego zasilania pozbawionego zakłóceń i odkształceń, odbiorcy nierzadko przyłączają się bezpośrednio do sieci o dużej mocy zwarcia. W zamian za poprawę jakości pobieranej energii, wzrasta jednak wartość prądów ewentualnych zwarć, co zwiększa narażenie aparatury sieciowej. Zastosowanie SCFCL okazuje się rozwiązaniem odwiecznego dylematu elektroenergetyki między potrzebą sztywnego zasilania, a techniczno-ekonomicznymi kosztami eliminacji zagrożeń wywoływanych przez wzrost mocy zwarciowych. Ograniczniki te można instalować w różnych miejscach systemu elektroenergetycznego: sprzęgłach układów szyn, na zasilaniu rozdzielni, w liniach wyprowadzenia mocy bloków itp. W każdym z tych przypadków zastosowanie SCFCL umożliwia dobór aparatury sieciowej, a zwłaszcza wyłączników o niższych prądach wyłączalnych (wytrzymałości zwarciowej). Jednocześnie pozwala na wykorzystanie możliwości, jakie stwarza zasilanie o zwiększonej mocy zwarciowej (wyższa jakość napięcia, większa pewność zasilania przy równoległej pracy dwóch źródeł). Wykonanie SCFCL o mocy znamionowej 6, 4 MVA dowodzi, że wkrótce realna będzie konstrukcja tych układów o mocach przekraczających 10 MVA. Jednak powszechne wdrożenie SCFCL w systemach elektroenergetycznych stanie się opłacalne dopiero po obniżeniu kosztów eksploatacji ich układów chłodzenia
Przewodnictwo elektryczne, zjawisko przepływu ładunków elektrycznych (prąd elektryczny) pod wpływem pola elektrycznego. Ze względu na wielkość oporności elektrycznej właściwej materiały dzieli się na izolatory (dielektryki), półprzewodniki i przewodniki.
Pod względem mechanizmu mikroskopowego przewodnictwo elektryczne dzieli się na elektronowe (zachodzi w metalach i półprzewodnikach), jonowe (w gazach, cieczach i kryształach jonowych) oraz mieszane (w plazmie). Przewodnictwo elektryczne jest jednym z zagadnień teorii transportu.
Technologia chemiczna, ogół metod służących do wytwarzania użytecznych związków chemicznych na skalę przemysłową za pomocą procesów chemicznych. Technologia chemiczna obejmuje wyodrębnianie z surowców pożądanych składników i dalsze ich przetwarzanie. Tradycyjnie dzieli się ją na technologię nieorganiczną (np. wytwarzanie nawozów sztucznych) i technologię organiczną (np. technologia polimerów, przetwórstwo ropy naftowej).
Poniżej podaję przykłady nadprzewodnictwa.
Wprowadzenie technologii magnesów nadprzewodzących pozwoliło fizykom uzyskiwać jeszcze większe energie w akceleratorach kołowych. Technologia ta pozwala osiągać silniejsze pola magnetyczne. W konwencjonalnych elektromagnesach opór elektryczny powoduje podgrzewanie cewki i wynikające stad straty energii. Cewki nadprzewodzące pozwoliły, mniejszym kosztem energii, uzyskiwać silniejsze i stabilne pola magnetyczne. Energia kołowego akceleratora w Fermilab została podwojona po zastosowaniu magnesów nadprzewodzących. Budowany Large Hadron Collider będzie wyposażony w magnesy nadprzewodzące by utrzymywać wiązki w pierścieniu o średnicy 8. 5 km!


Prąd wzbudzony w nadprzewodniku będzie płynął wiecznie - nawet gdy wyłączymy jego źródło.

Nadprzewodniki mogą więc służyć do konstrukcji silnych i nie wymagających dużej energii elektromagnesów - na przykład takich, które są potrzebne do uniesienia pociągu nad torami. Jest zdumiewające, że poruszające się w zorganizowany sposób elektrony mogą unieść i zawiesić ciężki pociąg nawet 30 centymetrów nad torami.