W zwyczajnym zjawisku przewodnictwa elektrycznego zawsze występuje opór elektryczny, jednak w przypadku nadprzewodnictwa opór ten może w pewnych sytuacjach całkowicie zanikać. Zjawisko to może jedynie zachodzić tylko w niektórych metalach, ich stopach, lub w pewnych materiałach ceramicznych, tzw. spiekach. Materiał, który wykazuje zdolności do nadprzewodnictwa nazywany jest, jak łatwo się domyślić nadprzewodnikiem. Zmiana zwykłego przewodnika w nadprzewodnik ma charakter przejścia fazowego. Ze względu na rodzaj takiego przejścia, wyróżniamy dwa typy półprzewodników:

- półprzewodniki typu I

- półprzewodniki typu II

Jak odkryto nadprzewodnictwo

W 1911 roku holenderski fizyk Heike Kammerlingh Ornes badał zachowanie się rtęci w bardzo niskiej temperaturze bo -269 0C, co odpowiada temperaturze ok. 4 K. W swoim eksperymencie badał on przepływ prądu przez przewodnik wykonany z zestalonej rtęci. I gdy przewodnik osiągnął już wspomnianą temperaturę, stała się rzecz niezwykła. Otóż całkowicie zniknął opór elektryczny. Prąd elektryczny jaki płynął wówczas nie doznawał, żadnych strat energii. Było to odkrycie zjawiska nadprzewodnicta. Dalsze badania wykazały, że istnieje pewna krytyczna wartość temperatury, natężenia pola magnetycznego, oraz gęstości prądu, poniżej której dany przewodnik zaczyna się zachowywać jak nadprzewodnik, czyli nie występuje w nim żaden opór elektryczny. Efekt ten dotyczy tylko obszaru przewodnika, który wyraźnie przekroczył tą granicę. W obszarze sąsiadującym z nim, a w którym wartości wspomnianych parametrów tworzyły pewien przejściowy obszar, opór elektryczny dość szybko wzrastał, w miarę jak rosła temperatura, czy inny z kluczowych parametrów. Jednak jak się okazało potem, nadprzewodnictwo rtęci było stanem nietrwałym. Przepływ prądu przez rtęć, wywoływał bowiem powstanie pola magnetycznego, które to powodowało powstanie oporu elektrycznego. Problem ten istnieje do dzisiaj. Okazało się, że ta wrażliwość na pole magnetyczna jest jedną z trzech przeszkód, które nie pozwalają na wyprodukowanie nadprzewodników, które mogłyby zostać wykorzystane w technologii. Jednak po odkryciu, że rtęć może stać się w pewnych warunkach nadprzewodnikiem, wkrótce się okazało, że także inne materiały mogą się stać nadprzewodnikami, o ile tylko będą mieć temperaturę poniżej tzw. temperatury krytycznej.

Pierwszą przeszkodą jak już powiedzieliśmy jest powstawanie pola magnetycznego, drugą natomiast jest zbyt niska temperatura krytyczna. Dla większości materiałów jest ona tak niska, że praktycznie niemożliwym staje się ich wykorzystanie w technice. Dlatego też, aby je używać jako nadprzewodników należy je nieustannie bardzo silnie chłodzić. Mimo tego, że pod koniec XX wieku odkryto nowy rodzaj nadprzewodników, tzw. ceramicznych, które określa się mianem nadprzewodników wysokotemperaturowych, to i tak temperatura krytyczna dla tych materiałów jest dużo niższa niż temperatura pokojowa. Nadprzewodnictwo może zaniknąć, jak tylko nadprzewodnik znajdzie się w polu działania pola magnetycznego, dostatecznie silnego i nie ma na to względu czy nadal się znajduje w temperaturze poniżej temperatury krytycznej. A gdy w takim nadprzewodniku, w którym płynie prąd elektryczny pojawi się opór elektryczny, to także zacznie się na nim wydzielać ciepło, a to w przypadku silnych elektromagnesów może doprowadzić do powstania eksplozji.

Gdzie można by było wykorzystać nadprzewodniki:

- w konstrukcji komputerów, a dokładnie przy budowie olbrzymich pamięci komputerowych

- w konstrukcji urządzeń służących do analizy chemicznej, czy medycznej ( głównie mowa tutaj o urządzeniach służących do przeprowadzania magnetycznego rezonansu jądrowego)

Powiedzieliśmy, że zasadniczo to istnieją trzy przeszkody uniemożliwiające powszechne wykorzystanie nadprzewodników. Trzecia jest związana z tym, że jak do tej pory nie istnieje zadowalająca teoria który wyjaśniałaby do końca zjawisko nadprzewodnictwa.

Otóż zwykłemu przewodnictwu towarzyszy zawsze opór elektryczny, które oprócz tego, że powoduje straty energii w przesyłanym prądzie elektrycznym, to także powoduje wydzielanie ciepła, które bardzo często w znaczny sposób przeszkadza i utrudnia użytkowanie urządzeń. Należy sobie zdać także sprawę z tego, że zjawisko nadprzewodnictwa to nie jest jakiś wyjątkowy fenomen, a po prostu reguła która istnieje w otaczającym nas świecie. Jak do tej pory odkryto, że zjawisko nadprzewodnictwa może zaistnieć w ponad 26 pierwiastkach metali, także w ich stopach oraz związkach.

Teoretyczne wyjaśnienie nadprzewodnictwa - teoria BCS

Opis teoretyczny zjawiska nadprzewodnictwa został podany po raz pierwszy w 1957 roku i jego autorem byli panowie J. Bardeen, L. N. Cooper i J. R. Schrieffer. Od pierwszych liter nazwisk tych panów wzięła się nazwa "Teoria CBS".

Teoria ta opisuje nadprzewodnictwo w ten sposób, że elektron, który to porusza się w sieci krystalicznej metalu, powoduje powstanie małej deformacji, która wynika z oddziaływania kulombowskiego pomiędzy ujemnie naładowanym elektronem, a dodatnio naładowaną siecią krystaliczną. Jeśli taka deformacja utrzymuje się stosunkowo długo, to jej istnienie może wpłynąć na ruch kolejnego elektronu, który to przechodzi przez obszar jej działania. Przy wyjaśnieniu nadprzewodnictwa posłużono się zjawiskiem kondensacji Bosego - Einsteina. Kondensacja ta ma zachodzić w cieczy, jaką stanowią elektrony przewodnictwa w metalu, które to połączone są ze sobą w pary. Kiedy układ ten osiąga temperaturę krytyczną ciecz przechodzi w stan nadciekłości, co z kolei objawia się jak całkowity zanik oporu elektrycznego. Cooper dodatkowo udowodnił, że w takim nadprzewodniku, prądu elektrycznego nie stanowią pojedyncze elektrony, jak ma to miejsce w przypadku konwencjonalnych przewodników, ale pary elektronów. Pary te nazwano parami Coopera. Takie elektrony, które wszystkie są połączone w pary ze sobą, w teorii CBS opisuje specjalna funkcja falowa. Strumień takich par elektronów może płynąć bez końca, ponieważ nie dochodzi do wymiany pędu pomiędzy elektronami a siecią krystaliczną. Czyli mamy do czynienia z bezkońcowym przepływem prądu. Obecnie stosuje się w wielkich akceleratorach służących do przyśpieszania cząstek, olbrzymie cewki nadprzewodzące, w których to mogą płynąć takie silne prądy bez końca. Dzięki temu, możliwe jest wytworzenie bardzo efektywnych silnych pól magnetycznych. Oprócz elektronów nadprzewodnictwo może także być związane z ruchem innych ciężkich fermionów, jednak teorie opisujące te zjawiska są bardziej skomplikowane niż teoria CBS.

To że takie nadprzewodniki nie powodowałyby żadnych strat w przesyle energii elektrycznej, oraz to, że nie powodowałyby w związku z tym wydzielania ciepła, czyni z nich wspaniałe narzędzia, które można by było wykorzystać w wielu zastosowaniach technicznych. Jednak tak jak już wcześniej wspomnieliśmy, jak na razie głównym ograniczeniem jest to, że muszą pracować w skrajnie niskich temperaturach. W tym momencie nadprzewodniki są wykorzystywane głównie w silnych elektromagnesach.

Oprócz teorii CBS, powstaje także mnóstwo innych teorii, których autorzy mają na celu poprawne ich zdaniem wyjaśnienie zjawiska nadprzewodnictwa. Jednak w większości są to modyfikacje teorii związanej z parami elektronowymi. Otóż gdyby rzeczywiście przepływ prądu elektrycznego wyglądał tak jak to opisuje teoria związana z ruchem cieplnym cząstek materii, które to zderzają się z węzłami sieci krystalicznej, to przy takim opisie nadprzewodnictwo nie miałoby prawa w ogóle występować. Co więcej, zgodnie z tą teorią przy temperaturach dążących do absolutnego zera, przepływowi prądu elektrycznego powinien towarzyszyć nieskończony opór. Można to łatwo wyjaśnić faktem, że przecież w niskich temperaturach ruch cieplny w ogóle zanika. Co ciekawe zanim holenderski naukowiec odkrył nadprzewodnictwo w rtęci, inni uczeni jemu współcześni spodziewali się takiego wzrostu oporu elektrycznego. Wyniki, jakie podał holender całkowicie ich zaskoczyły.

Zjawisko nadprzewodnictwa próbowały wyjaśnić teorie, które powstały w XX wieku, jednak udało im się to tylko w sposób częściowy. Dopiero teoria CBS, która powstała w 1957 roku była w sposób zadowalający wyjaśnić wiele efektów związanych z nadprzewodnictwem. Co więcej teoria CBS, według której zjawisko nadprzewodnictwa polegało głównie na łączeniu się elektronów w pary (tzw. pary Coopera), pomogła także wyjaśnić zjawisko Josephona. Zjawisko to polegało na tym, że dwie warstwy nadprzewodnika, pomiędzy którymi znajdował się dielektryk były w stanie przewodzić takie pary Coopera. Układ taki nosi obecnie nazwę złącza Josephona i ma szerokie zastosowanie praktycznie.

Jak już powiedzieliśmy, jedną z przeszkód w rozwoju techniki produkcji nadprzewodników, jest to, że nie istnieje wystarczający opis teoretyczny ich działania. W historii nauki i postępu technologicznego, kilka razy się zdarzało tak, że brak odpowiedniej teorii blokował rozwój technologiczny danego urządzenia, czy materiału. Najlepszym tutaj przykładem jest historia wykorzystania elektryczności. Elektryczność bowiem nie została wprowadzona do życia powszechnego natychmiast jak odkryto ją. Gdy Michael Faraday w XIX wieku przeprowadził swoje genialne eksperymenty pokazujące zaskakujące własności elektryczności, to potem długo jeszcze czasu minęło zanim technologowie przełknęli te rewelacje. Dopiero gdy Maxwell przedstawił swoją teorię dotyczącą pól elektromagnetycznych, co odbyło się kilkadziesiąt lat później, Edison mógł przedstawić całemu światu swoje eksperymenty, które to stanowiły wprowadzenie elektryczności do powszechnego użytku.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe.

Do 1986 roku, wszystko wskazywało na to, że nadprzewodniki muszą pracować w skrajnie niskich temperaturach. Jednak w tym roku panowie Bednorz i Muller odkryli, że nadprzewodnictwo może zachodzić także w znacznie wyższych temperaturach. Dlatego też ten typ nadprzewodnictwa określono mianem nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Okazało się, że niektóre materiały są w stanie nadprzewodzić już w temperaturach ok. 100 K. Nadal są to bardzo niskie temperatury w porównaniu z temperaturą pokojową, jednak stanowi to wielki postęp. Ogólnie nadprzewodnikami temperaturowymi określa się materiały, które są w stanie nadprzewodzić w temperaturach powyżej 30K. Materiały te to różnego rodzaju tzw. spieki ceramiczne, które zawierają pewne ilości tlenków metali przejściowych. W tym wypadku, jak do tej pory nie istnieje teoria, która w zadowalający sposób wyjaśniałaby zjawisko nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. A teorii CBS niestety nie można tutaj stosować. Za swoje odkrycie panowie Bednorz i Muller zostali uhonorowani nagrodą. Nobla. Najbardziej chyba szokującym faktem jest to, że nadprzewodnikami okazały się nie metale, a materiały ceramiczne. Dzięki temu, że okazały się nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi, uczniowie w wielu szkołach na własne oczy mogli zapoznać się ze zjawiskiem nadprzewodnictwa. A co więcej w niektórych dobrze wyposażonych szkołach można było samemu wyprodukować takie nadprzewodniki, oczywiście metodą spiekania ceramicznego.

Przy użyciu nadprzewodnika ceramicznego wysokotemperaturowego Bi2Sr2Ca2Cu3O10, którego temperatura krytyczna wynosi 110 K, możliwe jest wykonanie bardzo efektownego doświadczenia w którym to mały magnes potrafi lewitować.

Wykorzystanie nadprzewodników w przemyśle.

W dzisiejszym dniu, nadprzewodniki głównie wykorzystywane są przy wytwarzaniu elektromagnesów. Sprawdzają się tutaj znakomicie, ponieważ uzwojenia z nich wykonane nie powodują rozpraszania energii, same elektromagnesy nie muszą być tak masywne i co najważniejsze ich zastosowanie powoduje spadek kosztów produkcji.

Takie uzwojenie wykonane z nadprzewodnika może stanowić stop niobu i tytanu - Nb - Ti. Temperatura krytyczna dla tego materiału wynosi 10 K. Elektromagnesy wykorzystujące takie uzwojenia są w stanie wytworzyć pole magnetyczne o natężeniu ok. 8 Tesli. Gdy jako uzwojenie użyje się nadprzewodnika wykonanego z Nb3Sn, to pole magnetyczne może osiągną natężenie nawet dochodzące do 17 tesli. W przypadku tego nadprzewodnika, jego temperatura krytyczna wynosi 18 K. Oczywistym wykorzystaniem nadprzewodników jest budowanie przewodów, które to byłyby w stanie przesyłać energię elektryczną bez jakichkolwiek strat. Jednak w chwili obecnej nie jest to rozwiązanie opłacalne, ponieważ przewody takie wymagają znacznego chłodzenia. Jeśli chodzi o nadprzewodniki wysokotemperaturowe, to jak już powiedzieliśmy są one wykonane z materiału ceramicznego. A materiał ten nie jest zbytnio odporny na uszkodzenia i łatwo koroduje. To prowadzi do tego, że ich wykorzystanie w przemyśle jest bardzo utrudnione. Jednak nadprzewodniki ceramiczne wysokotemperaturowe prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości znajdą zastosowanie w przemyśle chemicznym. Dlatego też obecnie bardzo ważne staje się poznanie ich własności chemicznych, oraz metod ich wytwarzania.

W chwili obecnej także trwają pracę nad możliwością budowy linii przesyłowych, zbudowanych na bazie nadprzewodników, które to mogłyby rozsyłać prąd elektryczny bez potrzeby jego ciągłego wzmacniania na drodze jego przesyłu. Natomiast wspomniane już wcześniej złącze Josephona, mogłoby znaleźć szerokie zastosowanie w elektronice.

Innym bardzo ważnym zastosowaniem nadprzewodników, jest ich wykorzystanie jak ograniczników powstawania prądów zwarcia. Otóż w przypadku sieci elektroenergetycznych, ich właściciele muszą je zabezpieczać, tak aby zminimalizować zagrożenie związane z wystąpieniem zwarcia wielkoprądowego. W wyniku uszkodzenia materiałów izolacyjnych, bądź nieszczęśliwego wypadku, lub też na skutek uderzenia pioruna, może dojść do powstania prądu zwarcia, którego natężenie jest ograniczone jedynie przez impedancję jaka istnieje pomiędzy źródłem, a miejscem zwarcia. Powstałe prądy zwarcia mogą osiągać natężenie nawet 100 razy większe od tych w czasie normalnej pracy. To wiąże się z występowaniem olbrzymi przeciążeń cieplnych i mechanicznych. Co więcej zagrożenie jakie jest z tym związane, zwiększa się w miarę coraz większego rozbudowywania sieci elektroenergetycznych. Większość takich sieci posiada zabezpieczenie na ewentualne wystąpienie tylko krótkich prądów zwarcia. Osiągnięcie wyższych stopni bezpieczeństwa pociąga już niestety za sobą dodatkowe koszty. Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie urządzeń, których działanie polega na ograniczeniu powstałych ewentualnie prądów zwarcia. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest obniżenie kosztów jakie są związane ze stosowaniem elementów bardziej odpornych na wystąpienie zwarcia. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na tzw. ograniczniki prądów zwarcia. Urządzenia te nie powinny wpływać na działanie całej sieci, czyli nie powodować zakłóceń w przepływie w niej prądu elektrycznego. Dotychczasowe konstrukcje takich ograniczników opierały się głównie na rozstrajaniu obwodu rezonansowego (który to złożony jest z indukcyjności i pojemności) na elementach nieliniowych takich jak dławiki z rdzeniem żelaznym, półprzewodniki, czy właśnie nadprzewodniki. Wszystkie z tych elementów stosowanych do rozstrajania oczywiście nie jest pozbawionych pewnych wad. Jednak to nadprzewodniki mają tutaj przewagę na innymi, ponieważ charakteryzują się pewnymi unikalnymi właściwościami. Między innymi to co je wyróżnia to skokowa zmiana od rezystancji zerowej przy przesyłaniu prądów o normalnym natężeniu do rezystancji bardzo wysokiej przy prądach o zbyt dużym natężeniu. Jak do tej pory wyprodukowano dwa typy takich ograniczników które w swoim działaniu wykorzystują nadprzewodniki. Są to ograniczniki prądu zwarcia rezystancyjne i indukcyjne. Spośród tych dwóch ogranicznik rezystancyjny charakteryzuje się prostszą budową. W tym rozwiązaniu nadprzewodnik jest włączany do obwodu w sposób szeregowy zaraz za linią którą ma ogranicznik chronić. Aby nadprzewodnik zachował swoje właściwości nadprzewodzące cały ogranicznik znajduje się we wnętrzu pojemnika z cieczą chłodzącą, która ma ustaloną i niezmienną temperaturę. Jedyne co może się zmieniać to natężenie prądu elektrycznego i pola magnetycznego. W przypadku drugiego typu ograniczników, czyli ograniczników indukcyjnych, mamy praktycznie do czynienia z transformatorem, którego uzwojenie wtórne zostało zwarte przy pomocy nadprzewodnika. Cewka, która stanowi uzwojenie pierwotne jest natomiast szeregowo włączona w chronioną linię. W przybliżeniu można powiedzieć, że działanie ogranicznika indukcyjnego jest takie samo jak ogranicznika rezystancyjnego.

Wiele firm zajmowało się możliwością skonstruowania ograniczników prądu zwarcia. Były to min. EdF, Toshiba, Tepco, czy GEC Alstom. Jednak okazało się, że koszty związane z uzyskaniem skrajnie niskiej temperatury jakie te ograniczniki wymagały, były zbyt duże i wszelkie prace przerwano. Po tym niepowodzeniu pojawiła się pewna nadzieja związana z odkryciem nadprzewodników wysokotemperaturowych, które są już w stanie pracować w znacznie wyższych temperaturach niż wcześniej. Do ich pracy wystarczy już zastosowanie chłodzenia ciekłym azotem, który to ma temperaturę -196 0C. Dzięki temu otworzyła się droga do skonstruowania wydajnych i opłacalnych ograniczników prądu zwarcia. Co więcej skonstruowano już takie ograniczniki, a liderem na tym polu okazała się firma ABB. Storzyła ona ograniczniki prądu zwarcia wykorzystujące nadprzewodniki wysokotemperaturowe, które zostały z kolei wyprodukowane na bazie bizmutu. Przy czym, pierwszy prototyp ogranicznika indukcyjnego powstał w roku 1996. Przetestowano go w szwajcarskiej elektrowni wodnej, gdzie pomyślnie przeszedł wszelkie testy. ABB jednak zwróciło się w stronę produkcji ograniczników typu rezystancyjnego, ponieważ okazało się, że przy większych wymiarach i masach ograniczniki typu indukcyjnego stają się nazbyt skomplikowane i ich sam proces produkcji jest też zbyt złożony. W ogranicznikach rezystancyjnych przewody jakie wchodziły w skład uzwojeń zastąpiono specjalnymi arkuszami wykonanymi z materiału ceramicznego. Ostatni prototypy jaki firma ABB przedstawiła to był ogranicznik typu indukcyjnego, o mocy 6,4 MVA, a który to jak do tej pory jest największy takim urządzeniem na całym świecie. Przeprowadzono liczne testy sprawdzające, czy rzeczywiście takiego ograniczniki będą w stanie w zadowalający sposób chronić sieć energoelektryczną. Wszelkie próby potwierdziły ich niezawodną skuteczność. Co więcej w związku z tym, że są to układy budowane na bazie nadprzewodników, teoretycznie nie powinny się w ogóle zużywać. Nie trudno sobie wyobrazić jak wielkie zastosowanie mogą znaleźć takie ograniczniki w sieciach energoelektrycznych. Często się bowiem zdarza, że aby uzyskać połączenie nie zawierające zakłóceń, czy szumów odbiory podłączają się bezpośrednio do takiej sieci, która to posiada dużą moc zwarcia. Otóż wraz z poprawą jakości pobieranej energii wzrasta ryzyko wystąpienia zwarć, co z kolei wiąże się także bezpośrednio z zagrożeniem aparatury sieciowej. Tak więc widać, że wykorzystanie ograniczników prądu zwarcia, powoduje wyeliminowanie odwiecznego dylematu, jaki mieli dostarczyciele energii i jej odbiorcy, ponieważ nieaktualne staje się problem bezpośredniego podłączania do sieci bez narażania na powstanie prądów zwarcia. Co więcej użycie ograniczników wykorzystujący nadprzewodniki jest bardzo wygodne, bowiem można je montować praktycznie w każdym miejscu sieci. Można takie urządzenia montować bezpośrednio na zasilaniu systemu energoelektrycznego, na sprzęgłach układów szyn, czy na liniach wyprowadzenia mocy z poszczególnych bloków, a także na wielu innych. Zastosowanie ograniczników nadprzewodzących pozwala także na dowolny dobór elementów aparatury sieciowej i jednocześnie pozwala na stosowanie wyższych napięć w sieci, co poprawia jakość transmitowanej energii elektrycznej. Jednak rozwiązania te wejdą do powszechnego użytku, dopiero w momencie, kiedy koszty ich eksploatacji zostaną znacznie obniżone. Wiąże się to głównie z nadal kosztownymi układami chłodzącymi.

Przewodnictwo elektryczne - jest to zjawisko polegające na uporządkowanym przepływie ładunków elektrycznych. Przepływ ten odbywa się w wyniku istnienia pola elektrycznego. Ze względu na zdolność do przewodzenia, materię można podzielić na 3 rodzaje: przewodniki, półprzewodniki, izolatory. Przewodnictwo z kolei można podzielić na dwa typy, ze względu na to jaki jest rodzaj ładunków przepływających. I tak możemy mieć do czynienia z przewodnictwem elektronowym (metale i półprzewodniki), z przewodnictwem jonowym (elektrolity, gazy, kryształy jonowe). Może też być przewodnictwo tzw. mieszane pod postacią plazmy.