Srednjoškolski centar „Gemit-Apeiron“
Banja Luka
MATURSKI RAD
PREDMET:
FIZIKA
TEMA: SUPERPROVODLJIVOST
Mentor: Mile Mitrović Učenik: Dragana
Banja Luka, februar 2019.
UVOD
Superprovodljivost
je fenomen koji se pojavljuje kod
određenih materijala na niskim temperaturama, i karakteriše ga potpuno
odsustvo električnog otpora i prigušivanje unutrašnjeg magnetnog
polja (Majsnerov efekat).
Superprovodnost se pojavljuje kod raznih materijala, uključujući i proste
elemente poput kalaja i aluminijuma, razne matalne legure, neke
visoko-"dopirane" poluprovodnike, i određena keramička jedinjenja koja
sadrže stepen
atoma
bakra
i kiseonika. Druga vrsta jedinjenja, poznata
kao kuprati, su visokotemperaturni superprovodnici. Superprovodnost se ne
pojavljuje kod plemenitih metala poput zlata i srebra, niti kod feromagnetnih
metala poput gvožđa (mada gvožđe može da se pretvoriti u superprovodnik
ako se podvrgne vrlo visokim pritiscima). Kod konvencionalnih
superprovodnika, superprovodnost je izazvana silom privlačenja između
određenih provodnih elektrona koja potiče od razmjene fotona, što
prouzrokuje da tok provodnih elektrona stvara "stanje" superfluida
sastavljeno od povezanih
parova
elektrona. Takođe postoji i klasa materijala,
poznata kao nekonvencionalni superprovodnici, kod koje se javlja
superprovodnost, ali čija su fizička svojstva u suprotnosti sa teorijom
konvencionalnih superprovodnika. Jedna od mogućih koristi
superprovodnika je ta što bi pomoću njih bilo moguće da se električna
energija čuva dugo vremena, praktično bez utrošaka. Ipak da bi se
superprovodnici koristili u praksi, potrebno je da "funkcionišu" na
temperaturama približnim sobnim. Zato već dugi niz godina naučnici rade na
stvaranju superprovodnika koji rade na sve višim temperaturama.
2
2. POJAM SUPERPROVODLJIVOSTI
Snižavanjem temperatura dobrih provodnika kao što su srebro,bakar i
zlato smanjuje se i njihov električni otpor. Na veoma niskim temperaturama
njihov otpor zadržava stalnu vrednost. Otpor koji zaostane i ne menja se, na
temperaturama bliskim apsolutnoj nuli naziva se
rezidualni otpor
.
Međutim,
na vrlo niskim temperaturama, blizu apsolutne nule, izdvajaju se dve grupe
metala:
normalni metali
i
superprovodnici
.
Slika 1. promjena otpora u odnosu na temperaturu kod normalnih metala i kod
superprovodnika
Metali koji imaju svojstvo da približavanjem apsolutnoj nuli njihov
električni otpor ima stalnu vrijednost nazivaju se normalni metali. U
normalne metale spadaju i neki od dobrih provodnika kao što su bakar,
srebro, zlato itd.
Superprovodnici
su materijali čiji je otpor na veoma niskoj temperaturi
koja je bliska apsolutnoj nuli jednak nuli. Temperatura
Tk
na kojoj u
određenom materijalu dolazi do pojave superprovodnosti naziva se kritična
temperatura. Pri daljem snižavanju temperature, električni otpor naglo pada
na nultu vrednost. Tako se ponaša, na primjer, kalaj. Snižavanjem
temperature električni otpor kalaja smanjuje se, približno kao kod srebra, sve
da temperature od 3,7 K. Pri toj kritičnoj temperaturi otpor kalaja pada na
nultu vrijednost, i dalje, na temperaturama nižim od 3,7 K ostaje jednak nuli.
Za razne superprovodnike kritična temperatura ima različite vrijednosti.
Od čistih metala najvišu kritičnu temperaturu ima niobijum Nb (
Tk
= 9,5 K).
4
Ali postoje sintetizovana metalna jedinjenja sa još višom kritičnom
temperaturom. Šta zapravo znači gubljenje električnog otpora u provodniku?
Iščezavanje električnog otpora superprovodnika na apsolutnoj nuli, pokazuje
da se slobodni elektroni nesmetano kreću kroz metal. Međutim, ako je
temperatura viša od apsolutne nule, javlja se električni otpor, koji je, prije
svega, posledica nepravilnosti kristalne rešetke. Joni kristalne rešetke
metalnog provodnika osciluju oko ravnotežnih položaja. Povišavanjem
temperature povećava se prosječna amplituda tih oscilacija. Oscilacije
dovode do naizmjeničnog zgušnjavanja i razređivanja jona na pojedinim
mjestima kristalne rešetke, odnosno u kristalu se stvaraju gušća i ređa
mjesta.
Upravo te promjene gustine izazivaju rasijanje slobodnih elektrona
prilikom njihovog kretanja pod uticajem električnog polja. Kristal
superprovodnika ponaša se kao sredina sa periodično raspoređenim gušćim i
rjeđim mjestima. Na tim mjestima elektronski talas se djelimično prelama,
odbija i rasejava. To znači da elektroni menjaju brzinu i smer kretanja, a
time se djelimično poništava usmjerena komponenta brzine elektrona,
uzrokovane električnim poljem. Usled toga, javlja se električni otpor. Uzrok
rasejanja elektrona mogu da budu i prazna mjesta u kristalu, prisustvo
primjesa itd.
5
