supravodice

Zkoumáním elektrických vlastností kovů při teplotách blízkých 0 K vedlo k objevu supravodivosti. Holandský fyzik Heike Kamerlingh-Onnes 10. června 1908 zkapalnil helium, jehož teplota varu je 4,2 K. Od roku 1911 při experimentech s kapalným heliem zjistil, že odpor rtuti ochlazené pod kritickou teplotu 4,15 K klesá náhle na neměřitelnou hodnotu. U olova nastává supravodivý stav už při poklesu teploty pod 7,2 K, u cínu při 3,78 K, u thalia při 2,3 K. U mědi, železa a stříbra se supravodivost nezjistila. Ale např. rtuť velmi znečištěná zlatem a kadmiem supravodivá je. Supravodivost je omezena pro každý kov určitou hodnotou protékajícího elektrického proudu. Při velkých hodnotách elektrického proudu se vodič natolik zahřívá, že přestává být supravodivým.

Rozlišujeme supravodivost I. typu. Vyskytuje se u kovů (rtuť, měď, cín, olov, atd.), jejichž kritická teplota nepřesahuje 23 K, v silných magnetických polích se supravodivost ztrácí (magnetické pole je vytlačeno vně vodič), supravodivost I. typu vysvětluje BCS teorie z roku 1957 pojmenovaná podle objevitelů John Bardeen, Leon Cooper a Robert Schieffer. Vodivostní elektrony se spojují do tzv. Cooperových párů a pohybují se bez jakýchkoliv srážek krystalovou mříží. V roce 1957 Matthias dokázal, že jsou supravodivé jen ty kovy, které mají počet valenčních elektronů od 2 do 8.

Supravodivost II. typu se vyskytuje se u vysokoteplotních keramických supravodičů, kritická teplota se pohybuje v rozmezí od 35 K do 136 K. Jako chladící medium tedy stačí používat tekutý dusík. Magnetické pole vytěsňují částečně, zato však až do hodnot několika tesel. Keramické materiály jsou bohužel velice křehké a technologie umožňující jejich zpracování (např. do cívek) se nachází teprve v testovací fázi.

Nejzajímavější vlastností supravodičů je jejich ideální diamagnetizmus, nazývaný Meissnerův jev. Keramické materiály jako YbaCuO (tedy supravodiče II. typu) vykazují Meissnerův jev pouze při malých intenzitách vnějšího magnetického pole, překročí-li intenzita kritickou hodnotu, proniká elektromagnetická indukce do supravodiče ve formě tzv. vírových vláken, v supravodiči vznikají oblasti nesupravodivé látky. Počet těchto „vláken“ při zvětšování intenzity magnetického pole roste, až při dosažení určité intenzity přechází celý objem supravodiče do normálního stavu.

Na rozdíl od tzv. ideálních vodičů (tj. látek, které by vykazovaly ideální diamagnetizmus díky své dokonalé vodivosti) však u supravodičů pozorujeme také Meissnerův-Ochsenfeldův jev: v objemu supravodiče je za všech okolností magnetická indukce nulová. Dojde-li tedy k vychlazení supravodiče ve vnějším magnetickém poli, „vypudí“ supravodič toto pole ze svého objemu i bez vzniku stínících proudů. V praxi to znamená, že když položíme na keramický materiál malý magnetek a materiál vychladíme pod jeho kritickou teplotu, magnet se vznese a levituje nad supravodičem.

Vlastnosti supravodičů II. typu závisí značně na jejich krystalové struktuře. Defekty krystalové mřížky (dislokace nebo malé oblasti nesupravodivé hmoty) ovlivňují rozložení energeticky výhodných a nevýhodných poloh pronikajících vírových vláken v objemu supravodiče. Pokud je krystalová mřížka ideální – bez defektů – mohou se vírová vlákna materiálem volně pohybovat. Takovéto supravodiče II. typu se nazývají homogenní nebo ideální.

Supravodiče, jejichž krystalová struktura obsahuje větší množství defektů, (nebo je jimi cíleně přesycena,) se nazývají nehomogenní nebo také „tvrdé“ a jsou vhodné pro mechanické aplikace. Jejich magnetování má hysterezní nevratný charakter, při snížení intenzity vnějšího magnetického pole na nulu zůstává určitý počet vírových vláken „vázán“ v materiálu na defektech mřížky.

Nehomogenní supravodiče vykazují mnohem větší levitační sílu, jak ukazuje video. Tato síla není založena pouze na Meissnerově jevu. Díky existenci defektů mřížky a potažmo také energeticky výhodných a nevýhodných poloh vírových vláken mohou mezi magnetem a supravodičem působit síly odpudivé i přitažlivé. K tomuto pozoruhodnému jevu dochází, je-li nehomogenní supravodič vychlazen v blízkosti silného permanentního magnetu. Tyto síly brání změně vzájemné polohy magnetu a supravodiče.

 

Elektrický proud vyvolaný v prstenci ze supravodiče by se udržel bez pozorovatelného útlumu po dobu několika let. Supravodivosti materiálů se využívá k vytvoření velmi silných magnetických polí, např. pro potřeby výzkumu elementárních částic. Uvažuje se o využití supravodivosti při výrobě a přenosu elektrické energie, ale i v mikroelektronice, v lékařství při snímkování živých tkání, magnetické vlaky.