Supravodivost - je to jedinečný jev ve fyzice, kdy materiály chlazené na určitou teplotu ztrácejí téměř plný odpor elektrického proudu. V důsledku supravodivosti může proud proud proudit bez jakékoli ztráty energie, což činí tento jev velmi atraktivním pro různé technické aplikace.
Supravodivost poprvé objevil v roce 1911 nizozemský fyzik Heike Kamerling Onnes. Během svých experimentů zjistil, že při poklesu teploty se elektrický odpor rtuti blíží nule. Podařilo se mu dosáhnout teploty pod 4,2 k (-268,95 °C), při které se rtuť stala dokonalým vodičem elektřiny.
Po objevu supravodivosti vědci zjistili, že se tento jev projevuje nejen ve rtuti, ale i v jiných materiálech, jako je olovo, zirkonium, niob a další. Velký význam pro rozvoj teorie supravodivosti měla práce Leonida Landaua, který v roce 1950 navrhl teorii Fermiho tekutiny.
Významného pokroku ve studiu supravodivosti bylo dosaženo ve druhé polovině 20.století. V roce 1986 Johannes Bednorz a Karl Müller objevili supravodivost při výrazně vyšších teplotách, než se dříve myslelo. Jejich objev významně ovlivnil vývoj oblasti supravodivosti a způsobil nové kolo výzkumu.
Základní pojmy supravodivosti
Základní pojmy související se supravodivostí:
- Kritická teplota (Tc) - je to teplota, pod kterou se materiál stává supravodičem. Kritická teplota se u různých materiálů liší a závisí na jejich struktuře a chemickém složení.
- Kritické magnetické pole (Hc) - je to magnetické pole, při jehož překročení je supravodivost v materiálu zničena. Kritické magnetické pole také závisí na vlastnostech materiálu.
- Kritická hustota proudu (Jc) - je to hustota elektrického proudu, při jehož překročení se supravodivé vlastnosti materiálu ztrácejí.
- Londýnská Hloubka průniku (λ) - je to charakteristika, která určuje, jak hluboko může magnetické pole proniknout do supravodiče. Čím menší je hodnota hloubky průniku, tím lépe se materiál chová v podmínkách supravodivosti.
Objev supravodivosti v roce 1911 Heikem Camerling-Onnesem a Heather Onnesem vedl k významnému pokroku ve fyzice a umožnil vývoj nových materiálů a zařízení na základě tohoto jevu.
Co je supravodivost a jak se projevuje ve fyzice
Jedním z klíčových rysů supravodivosti je meissnerův efekt. Pokud je supravodič chlazen na určitou kritickou teplotu, stane se ideálním supravodičem a zcela vytlačuje magnetické pole ze svého objemu. Supravodič tak získává vlastnost absolutní diamagnetizace. To znamená, že magnetické pole nemůže proniknout dovnitř supravodiče, což je ideální pro vytváření silných permanentních magnetů a elektromagnetů.
Objev supravodivosti v roce 1911 učinil nizozemský fyzik Heiko Kamerlingh Onnes. Zjistil, že rtuť se dokázala stát supravodičem, když byla ochlazena na velmi nízké teploty. Za tento objev byl Onnes v roce 1913 oceněn Nobelovou cenou za fyziku. Od té doby byly nalezeny další materiály, které mají supravodivost při různých teplotách.
Historie objevu supravodivosti
Fenomén supravodivosti, tedy schopnost některých materiálů přenášet elektrický proud bez jakéhokoli odporu, byl objeven na počátku 20.století. Prvním vědcem, který objevil tento úžasný efekt, byl nizozemský fyzik Heike Kamerlingh Onnes. V roce 1911 se podařilo dosáhnout toho, aby vzorky rtuti zcela vyloučily odpor elektrického proudu při velmi nízkých teplotách.
Ve vědeckých kruzích však tento objev nebyl přijat okamžitě a vyvolal pochybnosti, protože v té době nikdo nemohl nabídnout uspokojivé vysvětlení tohoto jevu. Supravodivost se však stala předmětem širokého výzkumu a již ve 20.letech byly v této oblasti učiněny významné objevy.
Základní teorii supravodivosti vytvořili v roce 1957 americký fyzik John Barden a ruský vědec Alexej Meruňkov. Vyvinuli takzvanou "teorii BCS" (s jejich jmény - Barden, Cooper, Schriffer), která nabízela vysvětlení mechanismu supravodivosti na základě interakce elektronů s krystalickou mřížkou.
Za své objevy v oblasti supravodivosti byli Heike Kamerlingh Onnes, John Barden a Alexej Meruňkov oceněni Nobelovou cenou za fyziku. Jejich práce se staly důležitým výchozím bodem pro další rozvoj této zajímavé oblasti vědy a našly praktické uplatnění v různých oblastech technologií a průmyslu.
Objev supravodivosti a první experimenty
První experimenty, které vedly k objevu supravodivosti, provedli heik Kamerlingh Onnes a jeho kolegové v roce 1911. Zkoumali vlastnosti kovu při velmi nízkých teplotách a náhodou zjistili, že elektrický proud protékající kovem přestal čelit odporu.
Tento objev vyvolal obrovský zájem ve vědecké komunitě a následující desetiletí se věnovala studiu supravodivosti a hledání materiálů, které mají tuto vlastnost při vyšších teplotách.
Hlavní objevy v supravodivosti
1. Objev supravodivosti
Jedním z prvních důležitých objevů v oblasti supravodivosti bylo zjištění tohoto účinku samotnými výzkumníky. V roce 1911 Heike Kamerlingh-Onnes, Heike Kamerlingh-Onnes a Frederick o. Fisher na univerzitě v Leidenu zjistil, že některé materiály při velmi nízkých teplotách mohou zcela eliminovat odpor elektrického proudu, což jim umožňuje vykazovat supravodivost.
2. Objev efektu Meissner-Oschenfeld
V roce 1933 objevili Wolfgang Meissner a Robert Oschenfeld fenomén, který se nazývá Meissner-Oschenfeldův efekt. Zjistili, že supravodič za přítomnosti magnetického pole a při dostatečně nízké teplotě jej vylučuje téměř úplně ze svého vnitřního objemu. Tento efekt byl důležitým důkazem supravodivosti a sloužil jako výchozí bod pro další výzkum.
3. Objev supravodivosti typu II
Supravodiče byly rozděleny do dvou typů podle jejich interakce s magnetickým polem. V roce 1957 Alexej a. Meruňková předpověděla, že některé supravodiče mohou přejít do stavu supravodivosti typu II, který jim umožňuje interagovat s magnetickým polem. Tento typ supravodičů byl dále studován a jeho vlastnosti byly shledány velmi zajímavými a užitečnými pro různé aplikace.
4. Vysvětlení supravodivosti
Později byly vyvinuty teorie vysvětlující supravodivost. V roce 1957 představili John Barden, Leon Cooper a John Schriffer takzvanou bcsh teorii vysvětlující účinky supravodivosti. Tato teorie je založena na konceptu mobility elektronů v supravodiči a přítomnosti párových stavů elektronů, které tvoří takzvané bccg páry.
5. Objev vysokoteplotní supravodivosti
Jedním z nejvýznamnějších objevů v oblasti supravodivosti byla detekce supravodivosti při vysokých teplotách. V roce 1986 byl nalezen supravodič Josef Bednorz a Alexander Müller, který tento účinek vykazuje již při teplotě výrazně vyšší, než bylo dříve známo. Tento objev vedl k novým příležitostem a vyhlídkám v supravodivosti a vyvolal mezi vědeckou komunitou velký zájem.
Objev magnetického efektu Meissner-Ochsenfeld
Meisner a Ochsenfeld provedli experiment, ve kterém umístili supravodič do magnetického pole a poté jej ochladili na teplotu, při které se supravodivost začíná projevovat. V důsledku experimentu zjistili, že supravodič odstraňuje magnetické pole ze svého vnitřního objemu. To znamená, že v přítomnosti magnetického pole se supravodivý materiál nestal magnetickým.
Tento jev byl nazýván "meissnerův efekt" a stal se jedním z klíčových experimentálních potvrzení supravodivosti. V průběhu času se Meissnerův magnetický efekt stal jedním z kritérií pro určení, zda materiál má supravodivost nebo ne.
Význam meisnerova a Ochsenfeldova objevu spočívá v navázání spojení mezi supravodivostí a magnetickými poli. Tento objev vyvolal mnoho otázek a podnítil další výzkum supravodivosti.