Υπεραγωγιμότητα

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
Ένας μαγνήτης αιωρείται ελεύθερα επάνω από υπεραγώγιμο δαχτυλίδι.

Υπεραγωγιμότητα ονομάζεται η κατάσταση κατά την οποία κάποια υλικά (συνήθως μέταλλα και κεραμικά) παρουσιάζουν μηδενική αντιστασιμότητα (ειδική αντίσταση) και κατ'επέκταση μηδενική ωμική αντίσταση (R=0). Τα αντίστοιχα υλικά ονομάζονται υπεραγωγοί. Σε έναν υπεραγωγό οι συγκρούσεις μεταξύ ατόμων και ηλεκτρονίων ελαχιστοποιούνται με αποτέλεσμα το ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει ανεπηρέαστο και χωρίς καμία δυσκολία. Η θερμοκρασία κάτω από την οποία ένα υλικό γίνεται υπεραγωγός λέγεται κρίσιμη θερμοκρασία. Για τα περισσότερα μέταλλα η κρίσιμη θερμοκρασία είναι κοντά στο απόλυτο μηδέν. Μέχρι στιγμής δεν έχει βρεθεί υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου, μια ανακάλυψη που πιθανότατα θα είχε τρομερές συνέπειες στον κλάδο της τεχνολογίας.[1]

Ερμηνεία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Υπεραγωγιμότητα: ο σχηματισμός του φωνονίου μέσα στον κρύσταλλο συνοδεύει το bipolaron ζεύγος ηλεκτρονίων. Το σχήμα δεν αντιστοιχεί σε υπεραγωγιμότητα οφειλόμενη στο μηχανισμό ζευγών Κούπερ. Επίσης δείχνονται μόνο τα θετικά ιόντα του διηλεκτρικού κρύσταλλου.

Η υπεραγωγιμότητα θεωρείται κβαντικό φαινόμενο και σπάνια εξηγείται με την Κλασική Φυσική. Τα ηλεκτρόνια είναι οι φυσικοί φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος στους αγωγούς και οι σκεδάσεις τους στο κρυσταλλικό πλέγμα (και γενικά το υλικό) του αγωγού, κατά την εξαναγκασμένη διέλευσή τους μέσα από αυτό, προκαλούν το φρενάρισμά τους και εμφανίζεται έτσι ωμική αντίσταση. Οι σκεδάσεις των ηλεκτρονίων γίνονται πάνω στα άτομα του κρυστάλλου α) λόγω των πλεγματικών ατελειών (προσμίξεις, πλεγματικά κενά) που παραμορφώνουν τον κρύσταλλο και β) λόγω της μη μηδενικής θερμοκρασίας του κρυστάλλου από την οποία τα άτομά του ταλαντώνουν και καταλαμβάνουν μεγαλύτερο χώρο στατιστικά και έτσι μικραίνει ο ελεύθερος (από σκεδάσεις) χώρος διέλευσης για τα ηλεκτρόνια.

Στην υπεραγωγιμότητα τα πράγματα λειτουργούν διαφορετικά. Τα άτομα στον κρύσταλλο καταρχήν δεν ταλαντώνουν πλέον έντονα λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας και τα πλεγματικά κενά κλείνουν. Δεν είναι όμως αναγκαία και ικανή συνθήκη αυτή για την εμφάνιση της υπεραγωγιμότητας. Υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί, ανάλογα με το υλικό, που δίνουν υπεραγώγιμες ιδιότητες στο συνδυασμό πλέγματος - ηλεκτρονίων.[2]

  • Ζεύγη Κούπερ: Τα ηλεκτρόνια αποκτούν δεσμούς ανά δύο και σχηματίζουν ένα ιδεατό σωματίδιο με διαφορετικές ιδιότητες από το γνωστό ηλεκτρόνιο. Τους δεσμούς των ηλεκτρονίων μεταξύ τους, τους σχηματίζουν οι ελάχιστες αναπόφευκτες ταλαντώσεις των ατόμων του πλέγματος που ταξιδεύουν από άτομο σε άτομο στον κρύσταλλο (φωνόνια), οι οποίες δημιουργούν έναν ιδανικό «κινούμενο χώρο» ανάμεσα στα άτομα του πλέγματος που ταξιδεύει με την ταχύτητα του ήχου μέσα στον κρύσταλλο, μέσα στον οποίο τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν ανά δύο και ταξιδεύουν με τρόπο που να μην εμφανίζεται συνολικά η ιδιότητα της ιδιοστροφορμής (σπιν) του καθενός. Τα ηλεκτρόνια φαίνονται σαν να είναι «δεμένα» με κάποιο τρόπο και το ένα δεν αφήνει το άλλο να «χτυπήσει» πάνω στο κρυσταλλικό πλέγμα και έτσι δεν υπάρχουν σκεδάσεις, άρα μηδενίζεται η ωμική ηλεκτρική αντίσταση του υλικού. Το ανάλογο για την κατανόηση είναι μιας ομάδας ανθρώπων που διασχίζουν ένα δρόμο γεμάτο λακκούβες, στις οποίες θα σκόνταφτε ο καθένας μόνος του και, πιασμένοι χέρι με χέρι, οι υπόλοιποι βοηθούν ο ένας τον άλλο να υπερπηδούν τα εμπόδια. Στα ζεύγη κούπερ το μπροστινό ηλεκτρόνιο συνδέεται μέσω του φωνονίου του πλέγματος με αυτό που το ακολουθεί και «ανοίγει το δρόμο» για το πίσω, το οποίο δε συναντά πλέον αντίσταση. Όμως και το μπροστινό που ηγείται δεν εμφανίζει την ιδιοστροφορμή ενός μοναχικού ηλεκτρονίου ώστε να αντιδρά με τον κρύσταλλο όπως συνήθως, καθώς το σύστημα των δύο ηλεκτρονίων έχει πλέον συνολικά ιδιοστροφορμή ακέραιο αριθμό (0 ή 1, όχι ±½ όπως το μοναχικό ηλεκτρόνιο). Οι αποστάσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων σε ένα ζεύγος κούπερ είναι μερικό πολλαπλάσιο των πλεγματικών αποστάσεων των ατόμων. Το μπροστινό ηλεκτρόνιο παραμορφώνει το πλέγμα κατά τη διέλευσή του μέσα από αυτό λόγω του φορίου του. Η παραμόρφωση του πλέγματος που κλείνει πίσω από το οδεύον ηλεκτρόνιο εμφανίζει θετικό φορτίο που παγιδεύει, έλκοντας, το δεύτερο ηλεκτρόνιο πίσω από το πρώτο, με πολύ χαλαρό δεσμό.
  • bipolaron: η ταλάντωση του κρυστάλλου που εγείρεται σε χαμηλές θερμοκρασίες από ένα διερχόμενο ηλεκτρόνιο που παρασύρει η ηλεκτρεγερτική δύναμη, α) δημιουργεί συνθήκες που «δένουν» τα ηλεκτρόνια σε ζεύγη που ταξιδεύουν μαζί με την ταλάντωση του κρυσταλλικού πλέγματος και β) το φωνόνιο που συνοδεύει το ζεύγος ηλεκτρονίων τους προσδίδει ορμή[3] με αποτέλεσμα το ρεύμα τους να μπορεί να διατηρείται επ' άπειρον ακόμα και μετά την απομάκρυνση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης. Τα ηλεκτρόνια στο bipolaron είναι παγιδευμένα μέσα στο ίδιο φωνόνιο (καλύτερα: νέφος φωνονίων) και η ταχύτητά τους είναι η ταχύτητα του φωνονίου, αρκετά μικρότερη δηλαδή από την ταχύτητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων (Fermi). Αναλόγως της σκληρότητας του υλικού και του είδους του κρυστάλλου, τα ηλεκτρόνια στο bipolaron έχουν απόσταση μεταξύ τους της τάξης μίας ή δύο πλεγματικών αποστάσεων, η οποία είναι πιο μεγάλη σε πιο «σφιχτό» κρύσταλλο. Στην ουσία η απόσταση καθορίζεται από το νέφος φωνονίων που τα εγκλωβίζει. Το bipolaron, όπως και το ζεύγος κούπερ, έχει συνολικό σπιν ακέραιο αριθμό (αποκτά ιδιότητες μποζονίου) και αλληλεπιδρά με το πλέγμα χωρίς να συγκρούεται με αυτό. Τα bipolaron, και άρα η υπεραγωγιμότητα αυτού του τύπου, εμφανίζονται σε διηλεκτρικά υλικά.

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ομάδα του Όνες ανακάλυψε την υπεραγωγιμότητα του υδραργύρου στο πανεπιστήμιο Leiden της Ολλανδίας. Η υπεραγωγιμότητα του υδραργύρου προσδιορίστηκε ότι εμφανίζεται κάτω από τους 4°K.

Η επιστημονική έρευνα αφοσιώθηκε στην κατασκευή ή ανακάλυψη υλικών υπεραγώγιμων σε πιο υψηλές θερμοκρασίες. Αρχικά, τα πρώτα υπεραγώγιμα υλικά ήταν μεταλλικά και αργότερα μεταλλικά κράματα. Το 1986 κατασκευάστηκε το πρώτο κεραμικό υπεραγώγιμο υλικό με μέγιστη θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας 35°Κ. Τα επόμενα υλικά που ανακαλύφθηκαν ήταν και αυτά κεραμικά. Η μέγιστη θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας που έχει εντοπιστεί είναι 133°Κ (αν και ενδέχεται πλέον να υπάρχουν καινούργιες ανακαλύψεις και αυτή η πληροφορία να μην είναι ενημερωμένη).

Ιδιότητες υπεραγώγιμων υλικών[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η ιδιότητα της υπεραγωγιμότητας εμφανίζεται για συγκεκριμένες μέγιστες τιμές έντασης ηλεκτρικού ρεύματος και έντασης μαγνητικού πεδίου.

Άλλη σημαντική ιδιότητα των υπεραγώγιμων υλικών είναι η απώθησή τους από μαγνητικά πεδία (φαινόμενο Meissner). Η μαγνητική διαπερατότητά τους είναι πολύ μικρή, δηλαδή το μαγνητικό πεδίο εισχωρεί αρκετά δύσκολα μέσα σε ένα υπεραγώγιμο υλικό. Η εισχώρηση του μαγνητικού πεδίου μέσα σε ένα υπεραγώγιμο υλικό καταστρέφει την υπεραγωγιμότητά του. Στους μεταλλικούς υπεραγωγούς η υπεραγωγιμότητα καταστρέφεται μόλις αρχίσει να εισχωρεί σε αυτά μαγνητικό πεδίο. Αυτή η εισχώρηση δεν είναι ομογενής στα κεραμικά υλικά, αλλά γίνεται με θυσάνους, δηλαδή οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές ακολουθούν συγκεκριμένες διαδρομές μέσα στο υλικό και γύρω από αυτές τις διαδρομές δεν εισχωρεί το μαγνητικό πεδίο. Κανονική εισχώρηση μαγνητικού πεδίου γίνεται στα κεραμικά υλικά για ισχυρά μαγνητικά πεδία.

Εφαρμογές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Έχουν κατασκευαστεί υπεραγώγιμα υλικά σε θερμοκρασία μερικές δεκάδες βαθμούς Κελσίου υπό το μηδέν σε μορφή σκόνης. Αυτή η σκόνη χρησιμοποιείται για την κατασκευή υπεραγώγιμων καλωδίων μικρού σχετικά μήκους τα οποία χρησιμοποιούνται στους πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Υπάρχουν και εφαρμογές που στηρίζονται στο φαινόμενο Meissner. Τα υπεραγώγιμα υλικά χρησιμοποιούνται στη μαγνητική θωράκιση ηλεκτρονικών και στη μαγνητική ανάρτηση.

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Βιβλία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Δέρβος, Κωνσταντίνος; Βασιλείου Παναγιώτα (2009). «3.5 Η υπεραγωγιμότητα και τα χαρακτηριστικά της». ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ. 3ο Κεφάλαιο, Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών. Αθήνα: Εθνικό Μετσόβειο Πολυτεχνείο. σελ. 180.