1. Teoria przewodnictwa i nadprzewodnictwa, definicje, przykłady

Przed podaniem definicji i opisu zjawiska nadprzewodnictwa należy najpierw wyjaśnić, czym właściwie jest przewodnictwo lub przewodzenie prądu elektrycznego. Przewodnictwo jest transportem elektryczności wewnątrz przewodnika lub półprzewodnika. Przewodnikami są wszystkie metale, ich stopy oraz inne pierwiastki posiadające w swej sieci krystalicznej wolne elektrony, będące właśnie nośnikami prądu. Przewodzić mogę także ciecze i gazy (np. elektrolity w akumulatorach, zwykła woda), o ile zawierają pewną ilość jonów dodatnich lub ujemnych. Z mikroskopowego punktu widzenia przewodnictwo elektryczne podzielić można na jonowe (poruszają się jony dodatnie, np. w elektrolicie) oraz elektronowe (zachodzi na skutek ruchu wolnych elektronów, metale.) W plazmie występującą oczywiście obie formy, ponieważ plazma składa się z chaotycznie przemieszanych jonów ujemnych i dodatnich. Najprościej mówiąc, przewodzenie polega na ruchu nośników w ciele pod wpływem przyłożonego do niego potencjału elektrycznego.

Ciałami nie przewodzącymi (izolatorami, dielektrykami) jest większość pierwiastków i substancji nie posiadających wolnych elektronów: skały, suche drewno, woda destylowana itp.) Istnieją także półprzewodniki, czyli substancje przewodzące prąd, ale tylko w określonych warunkach, przy dużej temperaturze lub innej formie dostarczenia energii, powodującej uwolnienie się elektronów z sieci krystalicznej. Należą tu głównie krzem i german, mające wiele zastosowań w technice komputerowej i elektronice.

Nadprzewodnictwo jest to zjawisko polegające na znikaniu oporu prądu elektrycznego w pewnych szczególnych warunkach (niskie temperatury) oraz w określonych rodzajach przewodników, zwanych nadprzewodnikami. Są nimi najczęściej stopy metali i spieki ceramiczne. Nadprzewodnictwo jest ciekawym i korzystnym dla nas zjawiskiem, ponieważ jego wykorzystanie pozwala na uzyskiwanie prądów niemal nie wygasających z upływem czasu, czyli płynących bezstratnie.

  1. Historia odkrycia nadprzewodnictwa

Nadprzewodnictwo metali zauważył jako pierwszy Holender Heike Kammerlingh Onnes już na początku XX wieku (rok 1911.) Fizyk ten obserwował zachowanie się stałej, zmrożonej rtęci w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Kilka stopni powyżej dolnej granicy temperatur w skali Kelvina jakikolwiek opór drutu rtęciowego zdawał się zanikać. Szybko zauważono, że podobnie zachowują się w tych temperaturach także inne przewodniki, w tym stopy metaliczne.

Próbowano z początku wyjaśnić efekt ten utratą oporu przewodników przy odpowiednio niskich ciepłych, ale nikt nie wiedział, dlaczego właściwie tak się dzieje. Postulowano, że dla określonych wartości pól elektromagnetycznych i przy temperaturach bliskich 0 K oporność maleje gwałtownie, ale wzrasta wraz z systematycznym przyrostem wszystkich tych wielkości.

Kolejnym ważnym odkryciem było stopniowe zanikanie nadprzewodnictwa w przypadku drutu rtęciowego. Odpowiadało za to samo pole magnetyczne, będące z kolei pochodną prądu elektrycznego płynącego przez drut, zgodnie z równaniami Maxwella. Jest to ciekawa cecha nadprzewodników, znacznie jednak utrudniająca i spowalniająca efektywne badanie zjawiska. Nadprzewodnik może także stać się zwykłym przewodnikiem pod wpływem działania pobliskiego, silnego pola magnetycznego. Zjawisko przejścia ze stanu nadprzewodnictwa do przewodnictwa zgodnie z zasada zachowania energii musi towarzyszyć wydzielanie się dużej ilości energii termicznej. W pewnych sytuacjach może wówczas nawet dojść do wybuchu elektromagnesu nadprzewodzącego.

Typowe nadprzewodniki i ich temperatury krytyczne

TC [K]

TC [°C]

Al

1,2

-271,95

In

3,4

-269,75

Sn

3,7

-269,45

Hg

4,2

-268,95

Ta

4,5

-268,65

V

5,4

-267,75

Pb

7,2

-265,95

Nb

9,3

-263,85

  1. Wyjaśnienia zjawiska

Zjawisko nadprzewodnictwa do dziś nie zostało całkowicie i zadowalająco wyjaśnione na gruncie współczesnych teorii.

Temperatura, przy której pojawia się nadprzewodnictwo dla danej substancji przewodzącej, nazywana jest temperaturą krytyczną (Tc). Temperatury te są na tyle niskie, że trudno jest je osiągnąć, a utrzymywanie ciał w tych warunkach jest w każdym przypadku bardzo kosztowne. Należy stosować specjalne chłodzenie, np. ciekłym azotem, ciekłym helem, itp. W XX wieku znaleziono wprawdzie substancje, dla których temperatury krytyczne są średnio dużo wyższe niż te same temperatury dla metali (tak zwane spieki ceramiczne), jednak nawet w tym przypadku temperatury są na tyle małe, ze ich utrzymanie wiąże się z dużym nakładem finansowym.

Jednym z pierwszych opisów i prób wytłumaczenia zjawiska była tzw. teoria BCS z 1957 roku. Jej nazwa pochodzi od pierwszych liter trzech twórców, Johna Bardeena, Leona Coopera oraz Johna Roberta Schrieffera. Teoria zakłada, że prąd w nadprzewodnikach przenoszą specjalne pary elektronowe, a nie pojedyncze cząstki. Elektrony swobodne przemieszczające się w sieci krystalicznej przewodnika muszą powodować zniekształcenie na skutek potencjału sił kulombowskich (elektrostatycznego.) Przyciąganie to jest efektem różnych ładunków: ujemnego elektronu oraz dodatniego (sieć kryształu.) Dalej: jeżeli deformacja tego typu jest trwała w czasie, działa na pobliskie, przepływające w jej pobliżu wolne elektrony nadprzewodnika, zmieniając tor ich ruchu. Efektem jest zbliżanie elektronów do siebie i łączenie ich w pary elektronowe (tzw. pary Coopera.) Taki stan, złożony z powiązanych elektronów, określany jest często jako kondensacja Bosego - Einsteina, występująca w przewodniku w małej temperaturze. Obserwuje się wówczas proces podobny do "nadciekłości", odpowiedzialnej właśnie za zanik oporu sieci krystalicznej.

Teoria BCS jest w zasadzie nowoczesną teorią kwantową. Rozpatruje ona elektrony w postaci funkcji falowych tych cząstek. Najistotniejsze jest to, że zderzenia par z cząstkami sieci krystalicznej nie pociąga za sobą zjawiska oporności elektrycznej. Całkowity pęd pojedynczej pary Coopera nie może ulec zmianie co do wartości na skutek przyciągania jednego elektronu z pary przez dodatnie ładunki sieci. Jest to dość skomplikowany proces kwantowy, tu opisany jedynie skrótowo. Ważne jest w zasadzie to, że elektrony w nadprzewodniku z takimi parami płynie nieprzerwanie bez oporu, a zatem nie zanika w funkcji czasu.

Teoria BCS pomogła ponadto wyjaśnić tzw. Zjawisko Josephsona, polegające na swobodnym przepływie par Coopera w złączu Josephsona, czyli warstwach nadprzewodnika przedzielonych cienką warstw materiału zbudowanego z izolatora. Jest to tym znaczące, że Efekt Josephsona znalazł kilka ciekawych zastosowań, np. w elektronice. Jednak największym prawdopodobnie sukcesem BCS było umożliwcie wytwarzania i korzystania ze specjalnych substancji nadprzewodzących, tzw. nadprzewodników wysokotemperaturowych.

Duża role odegrali przy tym fizycy Georg Bednorz i Alexander Müller, którzy za odkrycie wyżej wspomnianych nadprzewodników zostali w roku 1987 uhonorowaniu prestiżową nagroda Nobla.

Podjęto również próbę opisania nadprzewodnictwa teorią fenomenologiczną zbliżoną do zależności stosowanych w termodynamice. Przejście między stanem normalnym oraz stanem nadprzewodnictwa potraktowano jako przejście fazowe, takie jak np. skraplanie gazu. W ten sposób powstała teoria nadprzewodnictwa Ginsburga - Landaua.

  1. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe

Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe zasługuje za omówienie w osobnym paragrafie, m.in. dzięki ogromnym zasługom, jakie wniosło od rozwoju fizyki. Jak już wspomniano, zostało odkryte przez Bednorza i Müllera w latach osiemdziesiątych. Różniło się ono od zjawiska zwykłego, znanego wcześniej nadprzewodnictwa tym, że temperatura krytyczna dla nowych nadprzewodników była znacząco wyższa, przewyższając w pewnych przypadkach nawet wartość stu stopni Kelvina, choć ogólnie przyjmuje się, że nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe zaczyna się już u ciał z temperatura krytyczna wyższą niż trzydzieści Kelvinów. Co ciekawe, nadprzewodniki takie nie są nawet metalami, jak można by się spodziewać zgodnie z fizyczna intuicją. Stanowią je natomiast rozmaite spieki ceramiczne, zbudowane w dużej mierze z tlenków tzw. metali przejściowych. Jednym z najpopularniejszych takich spieków jest skomplikowany tlenek o wzorze chemicznym Bi2Sr2Ca2Cu3O10 o dość dużej temperaturze krytycznej, wynoszącej Tc=110K. Pozwala on na przeprowadzenie eksperymentu dowodzącego możliwości zjawiska "lewitacji" niewielkich magnesów - tzw. Efekt Meissnera.

Nie istnieje jak dotąd niestety pełna teoria nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. W tym przypadku wyjaśnienia dawane przez teorię BCS ponad wszelką wątpliwość nie są niewystarczające.

.

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.

  1. Zastosowania

Nadprzewodniki są bardzo istotne w technice i nauce głównie ze względu na ich specyficznej własności, to jest brak oporności podczas przepływu prądu, a zatem niemal nieograniczone czerpanie energii elektrycznej z przepływu prądu przez ciało nadprzewodzące. Nie bez znaczenia jest tu także bezstratność energii elektrycznej na energie ciepła przy przepływie napięcia przez nadprzewodnik. Należy tu przez cały czas pamiętać o tym, że prąd elektryczny raz wzbudzony w nadprzewodniku płynie w nim nawet pod odłączeniu jego zewnętrznego źródła!

Główne ograniczenia w wykorzystaniu nadprzewodników to potrzeba utrzymania odpowiednio niskiej temperatury oraz dobór materiałów nadprzewodnikowych (odpowiednie metale i stopy oraz ceramika.)

Typowe zastosowania efektu nadprzewodnictwa to m.in.:

  • Powszechne wykorzystywanie nadprzewodników metalicznych do budowy silnych magnesów i elektromagnesów nadprzewodzących, w których prąd elektryczny porusza się niemal dowolnie długo. Pociąga to za sobą szanse na wytwarzanie bardzo dużych pól magnetycznych. Główne zastosowania praktyczne to w tym przypadku głównie akceleratory, czyli przyspieszacze cząstek używane przez fizykę współczesną w celu przeprowadzenia badań nad struktura materii oraz znajdowaniu nowych, przewidywanych przez teorię składników budulcowych materii,
  • Konstruowanie wydajnych systemów analitycznych, znajdujących zastosowanie m.in. w chemii, biologii i medycynie (np. mechanizm rezonansu jądrowego),
  • Możliwość produkcji bardzo pojemnych pamięci komputerowych i elektronicznych, coraz bardziej istotna wraz z rozwojem informatyki,
  • Ogólnie: produkcja elektromagnesów. Nadprzewodnikowe uzwojenia elektromagnesów stosowane są m.in. w charakterze substancji praktycznie nie powodującej start energii na rozpraszanie,
  • Wytwarzanie aparatury przydatnej w przeprowadzaniu procesu elektrolizy - istotne w procesach o technologiach chemicznych,
  • Konstruowanie silnych elektromagnesów - pozwalają one na swobodne unoszenie się nawet ciężkich obiektów na skutek własności pół elektromagnetycznych (tzw., "lewitacja"). Przykładem może tu być unoszenie pojazdów torowych nad ziemią, poduszkowce i inne, przyszłościowe formy transportu,
  • Budowa przewodów oraz kabli służących do wydajnego, bezstratnego transportu prądu. Niestety, koszt takiego transportu energii jest jak dotychczas dość duży i niezbyt opłacalny.
  • W dziedzinie edukacji i szkolnictwa: nadprzewodniki wysokotemperaturowe pozwalają na przeprowadzanie efektownych i pouczających doświadczeń w szkołach i na uczelniach wyższych, w dziedzinie badania przewodnictwa i nadprzewodnictwa.
  • W przemyśle chemicznym oraz badaniach z zakresu chemii , do badań i testowania. Według obecnej wiedzy, aż ponad dwadzieścia pierwiastków metalicznych charakteryzuje się pewnym nadprzewodnictwem. Można to wykorzystać w wielu badaniach nie tylko chemicznych, ale i ściśle medycznych i przyrodniczych. Ponadto technika chemiczna ciągle rozwija wykorzystanie nadprzewodnictwa. Niestety, względnie wydajne i tanie wysokotemperaturowe nadprzewodniki ceramiczne o budowie warstwowej są nietrwałe, dość kruche i łatwo mogą ulec zniszczeniu. Ogranicza to możliwość ich wykorzystania przemysłowego.
  • Fizyka doświadczalna jądrowa i cząsteczkowa, zastosowanie w akceleratorach kołowych (cyklotron, betatron.) Użycie nadprzewodnika zapewnia tu uzyskanie silniejszych pól magnetycznych służących do rozpędzania wiązek cząstek w akceleratorze, a zatem pomaga nadać im wielkie energie i prędkości. Można podobny efekt uzyskać stosując duże i silne elektromagnesy, ale pojawiający się wówczas opór zużyty jest na wydzielanie się dużych ilości ciepła, co nie tylko może być niebezpieczne, ale i odpowiada za stratę energii. Jeżeli w zamian zastosować cewki nadprzewodzące, uzyska się silne i trwale magnetyczne pola przyśpieszające kosztem mniejszej doprowadzonej pracy. Przykładem akceleratorów wyposażonych w takie cewki jest Fermilab w USA oraz będący dopiero w planach LHC (Large Hadron Collider - największy akcelerator świata).
  • Badane są obecnie intensywnie możliwości wykorzystania nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego do wytwarzania kabli i przewodów służących do przesyłania energii elektrycznej, uzwojeń generatorów, zwojnic, silników o innych podobnych elementów elektrycznych. Ciągle poszukuje się substancji o jak najniższej oporności. Substancjami o małym oporze w temperaturze pokojowej są złoto i srebro, jednak ze względu na cenę metale te nie mogą być stosowane do przesyłu energii elektrycznej; ponadto ich rezystywność wciąż jest stosunkowo duża.
  • Zastosowanie w elektronice. Tutaj szczególna rolę odgrywa wspomniane już złącze Josephsona. Efekt polega na tunelowaniu elektronów między dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik - izolator - nadprzewodnik. Nadprzewodniki rozdzielone są cienką warstwą izolatora. Wykorzystywane jest przy wymagających precyzji pomiarach słabych pól magnetycznych (medycyna, badanie serca), małych napięć oraz częstotliwości mikrofal, termometrii szumowej, do określania precyzyjnego wzorca jednostki napięcia prądu elektrycznego. Inne zastosowania to przyspieszanie sygnałów w układach scalonych (dzięki efektowi tunelowemu). Mimo to w porównaniu ze zwykłymi elementami elektronicznymi nadprzewodniki nie są nadal bardzo popularne, co związane jest w powodu warunków, jakie wymaga ich użycie (niska temperatura.) Złącze Josephsona jest więc na razie przyszłościowym rozwiązaniem w dziedzinie elektroniki.
  • Systemy przeciwzwarciowe, układy ograniczające prądy zwarcia w sieciach. Największe takie prądy osiągają wartości nawet stukrotnie przewyższające normalne obciążenia układu. Jest to oczywiście bardzo groźne. Stąd potrzeba zastosowania ograniczników, które obniżą konieczną wytrzymałość elementów elektrycznych, nie działając przy tym na normalne przewodzenie prądu w sieci. Konwencjonalne ograniczniki anty zwarciowe bazują na rozstrajaniu układu rezonansowego. Układ taki zbudowany jest z indukcyjności oraz pojemności na elementach nieliniowych elektrycznych (np. półprzewodnik.) O wiele lepsze efekty i większą niezawodność otrzymuje się jednak, jeżeli w miejsce półprzewodnika zastosować element nieliniowy nadprzewodzący. Element taki charakteryzuje się skokowym przejściem oporności od zera (no. Przy normalnym prądzie roboczym) aż do dużej oporności przy nadmiernym prądzie sieci. Dwa typowe ograniczniki nadprzewodzące, oznaczane w elektryce skrótem SCFCL (z ang. Superconducting Fault Current Limiters), to urządzania rezystancyjne oraz indukcyjne. Ogranicznik rezystancyjny (opornościowy) jest przy tym systemem dużo prostszym. Składa się głównie z elementu nadprzewodzącego połączonego szeregowo z obwodem chronionym przed zwarciem. Musi on być oczywiście przez cały czas odpowiednio schładzany, zwykle ciekła substancja chłodzącą. Przekrój poprzeczny elementu powinien być na tyle duży, aby zapewniać odpowiednia gęstość prądu. Oporność jest wówczas zerowa. Pojawiają się przy tym starty energii na ciepło. Jest to efekt indukowanych prądów, tzw. prądów wirowych, które powstają na skutek oddziaływania prądu z przyłożonym polem magnetycznym. W momencie wystąpienia sygnału zwarcia gęstość przepływającego prądu szybko wzrasta, rośnie także wartość pola magnetycznego, i w rezultacie ma miejsce zmiana położenia punktu pracy elementu ograniczającego, który przesuwany jest z wewnątrz nadprzewodnika do tzw. strefy przejściowej. Następujący wtedy gwałtowny wzrost oporności ogranicza przepływ prądu zwarcia, pociąga to za sobą wydzielanie się ciepła, dalszy wzrost oporu i kolejny, większy spadek napięcia. Obecnie wykorzystanie nadprzewodnictwa w sieciach elektrycznych jest nadal przedmiotem wielu badań, udzielają się tu nie tylko instytucje naukowe, ale przede wszystkim firmy i koncerny takie jak, EdF, Toshiba, Tepco.) Z początku wydawało się, że koszty chłodzenia nadprzewodników zawsze będą zbyt duże, by stosowanie ich w zapobieganiu skutkom zwarć mogło być kiedykolwiek opłacalne. Sytuacja zmieniła się znacznie wraz z odkryciem nadprzewodników wysokotemperaturowych. Takie elementy mogą być już chłodzone nie ciekłym helem (droższe) ale ciekłym azotem, o nieco wyższej temperaturze (ok., -200 stopni Celsjusza, tańszym w użyciu.) Odtąd rozpoczyna się era wydajnych i opłacalnych systemów bazujących na nadprzewodnictwie. Pierwszym zastosowanym tu materiałem był spiek bizmutowy, zastosowany przez firmę ABB, w latach dziewięćdziesiątych. Współczesny najnowszym produkt tej firmy to ogranicznik zwarć o mocy, 4 MVA, będący i jest największym tego typu układem w historii elektroniki. Tego typu ograniczniki zwarciowe (SCFCL) wykorzystuje się obecnie dość intensywnie przy projektowaniu sieci elektryfikacyjnych i systemów energetycznych. Popularne jest wciąż przyłączenie się do sieci elektrycznych z bardzo znaczna mocą zwarcia. Oznacza to większą jakość dostarczanego z sieci prądy przy jednoczesnym wzroście wartości prądów zwarcia, przez co nie tylko stwarza się zagrożenie dla osób, ale i dla podłączonych do sieci urządzeń, jak i dla konstrukcji samej sieci. Problem ten w dużej mierze zdołało rozwiązać wdrożenie układów typu SCFCL, które zapewnia kompromis pomiędzy pobieranym prądem o dobrej jakości a bezpieczeństwem systemu. Co więcej, ograniczniki nadprzewodzące z powodzeniem można włączać do sieci w rozmaitych punktach układu, takich jak: zasilanie rozdzielni, sprzęgła układów szynowych czy linie wyprowadzania mocy elektrycznej, przy czym niezależnie od punktu sieci możliwe jest zawsze precyzyjne dopasowanie innych ważnych elementów sieci, jak np. wyłączniki prądu o wystarczająco małych napięciach wyłączeniowych. Zastosowanie wielkoskalowe SCFCL w systemach elektroenergetycznych zaczęło być ekonomiczne po uzyskaniu mniejszych kosztów ich użycia oraz samych metod chłodzenia (wynalezienie nadprzewodników wysokotemperaturowych.) Ograniczniki zwarciowe zbudowane z nadprzewodników wysokotemperaturowych, produkowane obecnie, charakteryzują się m.in. bardzo dużą trwałością i niezawodnością elementu czego dowiodły liczne testy. Jest to wynikiem fizycznej natury nadprzewodnictwa. Fakt, że obecnie wykorzystywane są często niezawodne ograniczniki nadprzewodzące o mocy znamionowej rzędu sześciu MVA, daje nadzieję na możliwość produkcji ograniczników SCFCL o większych mocach rzędu dziesięciu i więcej MVA.

Postęp nauki przyczynia się do poznawania substancji, które umożliwiają bezstratny przepływ prądu w coraz wyższych temperaturach, jednak są to często w praktyce nadal temperatury za niskie i w wielu sytuacjach użycie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w masowych zastosowaniach. Oczekuje się odkrycia taniego nadprzewodnika, który pracowałby w temperaturze normalnej, rzędu kilkudziesięciu stopni Celsjusza.