ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΥΠΕΡΑΓΩΓΟΙ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΥΠΕΡΑΓΩΓΟΙ Η γνώση των ηλεκτρικών φαινομένων ξεκινά από την Ελληνική Αρχαιότητα. Ο Θαλής ο Μιλήσιος τον 6 ο π.χ. αιώνα, ανακάλυψε ότι ένα τεμάχιο ήλεκτρου αποκτά, μετά από τριβή, την ικανότητα να έλκει κομμάτια από άχυρο. 23 αιώνες αργότερα ο Gilbert χρησιμοποίησε την λέξη "ηλεκτρισμός" για να περιγράψει παρόμοια φαινόμενα. 4.1 Εισαγωγή-Ιστορική εξέλιξη Από την εποχή της ανακάλυψης του ηλεκτρισμού ήταν γνωστό ότι η ειδική αντίσταση των μετάλλων μειώνεται με μείωση της θερμοκρασίας. Είχε λοιπό ν ενδιαφέρον να εξετασθεί η αγωγιμότητα των μετάλλων σε πολύ χαμηλές (κρυογενικές) θερμοκρασίες δηλαδή κοντά στο απόλυτο μηδέν αλλά δεν υπήρχε η τεχνολογία ψύξης σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες. Ως έτος ανακάλυψης της υπεραγωγιμότητας μπορεί να θεωρηθεί το 1 911, χρονιά που πραγματοποιήθηκε η υγροποίηση του στοιχείου ηλίου ( He - 268,9 C), και ο Ολλανδός φυσικός Kamerlingh Onnes στο Leiden, κατά την μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας στην ηλεκτρική αντίσταση, βρήκε μετά από εξέταση αρκετών μετάλλων ότι στους 4,2Κ (-268,8 ο C) η αντίσταση του υδραργύρου (Hg) γίνεται πρακτικά μηδενική. Αντίθετα η αντίσταση του λευκοχρύσου (Pt) μειώνεται ομαλά με τη μείωση της θερμοκρασίας (σχήμα 4.1). Για την μελέτη της υπεραγωγιμότητας χρησιμοποιήθηκε επίσης το υγρό υδρογόνο (Η 2 ) με σ.ζ. τους -252,5 C, αλλά η κρίσιμη θερμοκρασία μετάπτωσης T C έπρεπε να είναι πάνω από 21 0 Κ. Και τα δύο όμως αυτά αέρια (He, H 2 ) έχουν υψηλό κόστος παραγωγής, απαιτούν σημαντικό εξοπλισμό και επιπλέον το Η 2 είναι επικίνδυνο λόγω του ότι είναι πολύ εύφλεκτο. Το υγρό άζωτο ( Ν) με σ.ζ. -196 0 C είναι ένα φθηνό ψυκτικό μέσο που μπορεί να διατηρηθεί σε κοινά δοχεία Dewar αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο όταν η κρίσιμη θερμοκρασία,t C, του υλικού είναι μεγαλύτερη από από 77Κ. 81

0,15 Ηλεκτρική αντίσταση ρ/ρ 273οC.10-3 0,1 0,05 Pt Hg 0 4,15 4,2 4,25 4,3 4,35 Θερμοκρασία ο Κ Σχήμα 4.1: Μεταβολή της σχετικής ειδικής αντίστασης του υδραργύρου και του λευκόχρυσου κατά την πτώση της θερμοκρασίας στην περιοχή του απολύτου μηδενός. Το 1973, κατασκευάσθηκαν υπεραγωγοί γερμανίου-νιοβίου (Ge-Nb) με κρίσιμη θερμοκρασία 23,3 o Κ (-249,7 C). Το 1986 κατασκευάσθηκε από την IBM υπεραγωγός μίγματος οξειδίων βαρίου ( Ba), λανθανίου (La) και χαλκού (Cu) με Tc ίση με 35 0 Κ (-238 C). Την ίδια χρονιά η αμερικανική εταιρία B ell κατασκεύασε υπεραγωγό με Tc=38Κ ο οποίος εξεταζόμενος πειραματικά σε υψηλή πίεση (10.000-12.000 φορές μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική) παρουσίασε υπεραγώγιμη συμπεριφορά στην σ χετικά υψηλή θερμοκρασία των 52Κ. Αντικατάσταση του βαρίου (Βa) από στρόντιο (Sr) και εξέταση σε ατμοσφαιρική πίεση, έδειξε ελαφρώς υψηλότερη κρί σιμη θερμοκρασία (54Κ). Αντικατάσταση του στροντίου με σπάνιες γαίες (όπως το λανθάνιο, Lα και το ύττριο,υ} ανέβηκε την εμφάνιση της υπεραγώγιμης συμπεριφοράς στους 93Κ (θερμοκρασίας που βρίσκεται αρκετά υψηλότερα από αυτή της υγροποίηση του αζώτου). Έρευνα στην Ελλάδα (Δημόκριτος) σε υπεραγωγούς από σπάνιες γαίες έδειξε υπεραγώγιμη συμπεριφορά στην ίδια περιοχή θερμοκρασιών. Σήμερα πολλά ερευνητικά εργαστήρια σε όλες τις τεχνολογικά προηγμένες χώρες συνεχίζουν την έρευνα στην περιοχή της υπεραγωγιμότητας μ ε σκοπό 82

την κατασκευή νέων υπεραγώγιμων υλικών με κρίσιμη θερμοκρασία υπεραγώγιμης συμπεριφοράς, στην περιοχή της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και σε ακόμη μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Η δημιουργία υπεραγώγιμων υλικών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος που μπορούν να "λειτουργήσουν" έξω από τα εργαστήρια σε πραγματικές συνθήκες, θα αποτελέσει μια τεράστια τεχνολογική επανάσταση, με ανυπολόγιστη οικονομική και πολιτική σημασία για όλον τον πλανήτη, διότι ουσιαστικά θα αποτελέσει πραγματοποίηση του αεικίνητου. Η σπουδ αιότητα της δημιουργίας υπεραγώγιμων υλικών σε θερμοκρασίες T C στην περιοχή της θερμοκρασίας περιβάλλοντος φαίνεται στην παρακάτω δήλωση του καθηγητή Marvin Coen του πανεπιστημίου του Berkley (USA): «Τη μέρα που θα ζητήσετε από το μαγαζί ηλεκτρολογικών ει δών της γειτονιά σας σύρμα και σας ρωτήσουν: κανονικό ή υπεραγώγιμο, ο κόσμος θα έχει αλλάξει». 4.2. Ορισμός της Υπεραγωγιμότητας Υπεραγωγιμότητα (Superconductivity) ονομάζεται η ιδιότητα της πτώσης της αντίστασης σε τιμές όπου η αγωγιμότητα αποκτά πρακτι κά άπειρη τιμή. Αντίστοιχα η θερμοκρασία στην οποία ένα υλικό αποκτά υπεραγωγιμότητα ονομάζεται κρίσιμη θερμοκρασία (θερμοκρασία μετάπτωσης) υπεραγωγιμότητας, T C. Η μετάπτωση στην κατάσταση υπεραγωγιμότητας, είναι φαινόμενο αντιστρεπτό, δηλαδή αύξηση της θ ερμοκρασίας πάνω από την κρίσιμη τιμή T C, μεταφέρει το υλικό στην περιοχή της συνηθισμένης αγωγιμότητας του. Χαρακτηριστική πειραματική επαλήθευση του φαινομένου αυτού έγινε στις ΗΠΑ με την μέτρηση του μαγνητικού πεδίου που οφείλεται στο εισαχθέν ρεύμα σ ένα δακτύλιο από υπεραγώγιμο υλικό. Ενώ στο υπεραγώγιμο υλικό η ένταση του ρεύματος παρέμεινε αμετάβλητη για χρόνια, σε ένα αγώγιμο υλικό ή ένταση του ρεύματος μηδενίζεται σε μερικά τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου λόγω της αντίστασης του αγωγού. 83

4.3 Εξήγηση της υπεραγωγιμότητας-θεωρία BSC Η εξήγηση της υπεραγωγιμότητας δόθηκε αρκετά ικανοποιητικά το 1957 από τους Barden, Cooper και Scrieffer και η σχετική θεωρία φέρει το όνομα, από τα αρχικά των ονομάτων αυτών που την διατύπωσαν, ως θεωρία BCS. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, σε κατάσταση υπεραγωγιμότητας τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας δρούν κατά ζεύγη και η υπεραγωγιμότητα οφείλεται σε αλληλοεπιδράσεις ηλεκτρονίου -πλέγματος. Για την κατανόηση της θεωρίας BCS, έστω ότι ένας κανονικός αγωγός αποτ ελείται από στοιχείο που έχει επτά (7) ηλεκτρόνια σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα. Η καμπύλη μεταβολής ενέργειας-ορμής χωρίς την επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου θα έχει την παρακάτω μορφή (σχήμα 4.2). Σχήμα 4.2: Μεταβολή ενέργειας-ορμής χωρίς ηλεκτρικό πεδίο Όταν απουσιάζει ηλεκτρικό πεδίο, όλα τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο στην κατώτερη ενεργειακή στάθμη τους, και η τελική ορμή είναι μηδενική δηλαδή το ρεύμα από ηλεκτρόνια κινούμενα προς τα δεξιά ισοσταθμίζεται ακριβώς από ηλεκτρόνια κινούμενα προς τα αριστερά και το αποτέλεσμα είναι «καθαρό» μηδενικό ρεύμα. Με την εφαρμογή όμως ηλεκτρικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια αποκτούν επιπλέον ορμή και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη μετατόπιση της όλης κατανομής των ηλεκτρονίων προς τη κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Μετά την απομάκρυνση του ηλεκτρικού πεδίου, λόγω της σύγκρουσης των ηλεκτρονίων με το παλλόμενο πλέγμα, τα «ξένα» άτομα ή με 84

Ενέργεια οποιαδήποτε άλλη «δομική αταξία», τα ταχύτερα ηλεκτρόνια μετακινούνται σε χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα μέχρι την απόκτησ η της αρχικής ισορροπίας. Μπορεί να υποτεθεί ότι γίνεται μετατόπιση του ηλεκτρονίου από την ενεργειακή θέση α στη θέση β (σχήμα 4.3). Στην περίπτωση των υπεραγωγών ευνοείται από ενεργειακή άποψη ο σχηματισμός ζευγών ηλεκτρονίων. Το ζευγάρι που σχηματίζεται ονομάζεται υπεραγώγιμο ηλεκτρόνιο ή από το όνομα του ερευνητή ζεύγος Cooper. Τη σύνδεση των δύο ηλεκτρονίων μπορούμε να παραστήσου ως ένα μηχανικό 25 20 15 β α 10 5 Σχήμα 0 4.3 Μεταβολή θέσης ηλεκτρονίου 0 5 10 15 20 Ορμή Σχήμα 4.3 ελατήριο μεταξύ αυτών, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.4. Το νέο σωματίδιο θα έχει στο κέντρο βάρους του μηδενική ταχύτητα, διότι τα δύο ηλεκτρόνια που το σχηματίζουν έχουν αντίθετες και ίσες ταχύτητες. Με εφαρμογή της εξίσωσης De Broglie: h (όπου: h σταθερά Plank, m μάζα, υ ταχύτητα) m u συμπεραίνεται ότι το μήκος κύματος του ηλεκτρονίου θεωρούμενου ως κύμανση θα είναι άπειρο. Αυτό θα συμβαίνει σε όλα τα υπεραγώγιμα ηλεκτρόνια, τα οποία και θα συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο. Ως συνέπεια των ανωτέρω τα υπεραγώγιμα ηλεκτρόνια, δεν ακολουθ ούν την απαγορευτική αρχή του Pauli. 85

Σχήμα 4.4: Η καμπύλη ενέργειας-ορμής επτά υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων Εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου θα έχει σαν αποτέλεσμα τη μετατόπιση των ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση του, όπως και στα αγώγιμα υλικά, αλλά μετά την απομάκρυνση του πεδίου δεν θα υπάρχει μεταβολή, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.5. Σχήμα 4.5: Σχέση ενέργειας-ορμής υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων κατά την εφαρμογή πεδίου 86

Μετατόπιση από τη θέση α στη θέση β δεν είναι δυνατή λόγω της «σύνδεσης» των ηλεκτρονίων. Αποτέλεσμα της θέσης των υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων είναι ότι περισσότερα ηλεκτρόνια μετακινούνται προς τα δεξιά από ότι προς τα αριστερά και επομένως θα υπάρχει συνεχώς «καθαρό» ρεύμα. 4.6 Μικροσκοπική θεώρηση υπεραγωγιμότητας Η υπεραγωγιμότητα θεωρείτα ι ότι προκαλείται από αλληλοεπίδραση δευτέρου βαθμού μεταξύ ηλεκτρονίων και δονούμενου πλέγματος. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την κλασική θεωρία σύμφωνα με την οποία η θερμική δόνηση είναι υπεύθυνη για την αντίσταση των υλικών και όχι για την απουσία της κ αι ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τόσο αυξάνεται και η ηλεκτρική αντίσταση. Κάτω όμως από μια ορισμένη θερμοκρασία και για ορισμένα υλικά το πλέγμα έχει τον ρόλο «ενδιάμεσου» μεταξύ δύο ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε κατάλληλη θέση. Το ηλεκτρόνιο αλλάζει τ ον χαρακτήρα του, δεν ακολουθεί την κατανομή Fermi-Dirac και όλα τα ζεύγη των ηλεκτρονίων βρίσκονται στην ίδια κατάσταση. Η αλληλοεπίδραση ηλεκτρονίων -πλέγματος έχει αποδειχθεί πειραματικά με τη χρήση ισοτόπων. Η κρίσιμη θερμοκρασία ενός υπεραγωγού, εξαρτάται από την ολική μάζα των πυρήνων του υλικού από το οποίο αποτελείται. Αν προστεθεί ένα πρωτόνιο η κρίσιμη θερμοκρασία μειώνεται. Λαμβανομένης υπ όψη της πολυπλοκότητας του μηχανισμού της υπεραγωγιμότητας η εξήγηση της απαιτεί ακόμη μεγαλύτερη προσπάθεια για την εξεύρεση ενός γενικά αποδεκτού μηχανισμού. 4.4 Το κρίσιμο μαγνητικό πεδίο Οι υπεραγώγιμες ιδιότητες των υλικών δεν απαιτούν για τη διατήρησή τους μόνο θερμοκρασία χαμηλότερη από τη κρίσιμη Τ c αλλά και ένταση μαγνητικού πεδίου H c μικρότερη από μια κρίσιμη τιμή Η 0. Πειράματα με διάφορους υπεραγωγούς έδειξαν ότι η σχέση που συνδέει τη θερμοκρασία με την ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι: H T 1 T 2 C H0 2 C (4.1) Η γραφική παράσταση της παραπάνω σχέσης δίδεται στο σχήμα 4.6. 87

Η Η 0 είναι η τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου που καταστρέφει την υπεραγωγιμότητα. Σχήμα 4.6: Σχέση έντασης μαγνητικού πεδίου θερμοκρασίας 4.8 Δύο συνέπειες της υπεραγωγιμότητας Ένα αποτέλεσμα του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας είναι ηλεκτρικό ρεύμα εισερχόμενο σε κλειστό βρόγχο κατασκευασμένο από υπεραγώγιμο υλικό, λόγω μηδενικής αντίστασης, θα ρέει για πρακτικά απεριόριστο χρόνο, χωρίς εξωτερική πηγή, λόγω μηδενικών απωλειών (εκτός φυσικά από το κύκλωμα διατήρησης της ψύξης (για την διατήρηση της T C ). Ένας τέτοιος υπεραγώγιμος βρόγχος θα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο όμοιο με αυτό που δημιουργείται αυτό από μόνιμο μαγνήτη. Λόγω του φαινομένου αυτού μια υπεραγώγιμη πλάκα απωθεί το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (σχήμα 4.7α). Επίσης όταν τεμάχιο υπεραγώγιμου υλικού τοποθετηθεί σε δο χείο από μαγνητικό υλικό και η θερμοκρασία φθάσει την Tc το τεμάχιο του υπεραγώγιμου απομακρύνεται από τον πυθμένα και αιωρείται σε απόσταση ισορροπίας (σχήμα 4.7β). 88

Σχήμα 4.7:(α) Απώθηση μαγνητικού πεδίου από υπεραγώγιμη πλάκα. (β) Αιώρηση υπεραγώγιμου υπεράνω μαγνήτη Ένα άλλο φαινόμενο που εμφανίζεται ως συνέπεια της υπεραγωγιμότητας είναι το φαινόμενο Meisnner. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4.6, με κατάλληλο συνδυασμό έντασης μαγνητικού πεδίου και θερμοκρασίας, ένα υλικό μετατρέπεται σε υπεραγώγιμο, δηλαδή χάνει την αντίστασή του. Έχει ενδιαφέρον όμως η εξέταση της συμπεριφοράς ενός υπεραγώγιμου υλικού όταν από τη "αγώγιμη" θέση Α μετακινηθεί στη "υπεραγώγιμη" θέση Γ ακολουθώντας τις διαδρομές ΑΔΓ και ΑΒΓ. α) Διαδρομή ΑΔΓ. Στο σημείο Α δεν υπάρχει εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο και η θερμοκρασία του αγωγού είναι υψηλότερη από τη κρίσιμη, δηλαδή το υλικό βρίσκεται σε "κανονική" αγώγιμη κατάσταση. Στη θέση Δ το υλικό έχει ψυχθεί σε θερμοκρασία κάτω από την Τ C έχει αποκτήσει μηδενική αντίσταση και εμφανίζει υπεραγωγιμότητα. Μετάβαση από το σημείο Δ στο σημείο Γ, επιτυγχάνεται με αύξηση της έντασης του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Η αλλαγή της μαγνητικής ροής έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργεί ρεύμα αντίθετ ο προς το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο σύμφωνα με τον κανόνα του L enz (διννορεύματα). Το χαρακτηριστικό βέβαια τώρα είναι ότι δεν υπάρχει αντίσταση και τα διννορεύματα δεν χάνουν την έντασή τους. Αυτά δημιουργούν μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του υλικού. Έτ σι ο υπεραγωγός είναι ένα τέλειο διαμαγνητικό υλικό (βλέπε κεφ.5). 89

β) Διαδρομή ΑΒΓ. Αν από τη θέση Α, μετακινηθεί το υλικό στη θέση Β, αυτό θα σημαίνει ότι αυξήθηκε η ένταση του μαγνητικού πεδίου, υπό σταθερή θερμοκρασία. Αν υποτεθεί ότι το υλικό είναι αμα γνητικό (στη πραγματικότητα οι υπεραγωγοί είναι ελαφρά παραμαγνητικοί πάνω από την Η C, λόγω της μεταλλικής φύσης τους) το μαγνητικό πεδίο εισέρχεται στο υλικό. Μετακίνηση από το Β στο σημείο Γ, σημαίνει μείωση της θερμοκρασίας, υπό σταθερό μαγνητικό πεδίο. Το υλικό γίνεται υπεραγώγιμο αλλά θεωρητικά δεν υπάρχει λόγος να γίνει αλλαγή της κατανομής του μαγνητικού πεδίου. Έτσι είναι φανερό ότι η κατανομή του μαγνητικού πεδίου θα έπρεπε να εξαρτάται από τη διαδρομή (κατεργασία) που ακολουθείται. Αν η μεταβολή γίνεται μέσω του Δ, το μαγνητικό πεδίο θα αναμένεται να απωθείται και αν γίνεται μέσω του Β το μαγνητικό πεδίο θα αναμένεται να είναι το ίδιο εσωτερικά και εξωτερικά. Στην πραγματικότητα όμως οι υπεραγωγοί ανεξάρτητα διαδρομής αναπτύσσουν εσωτερικό μαγνητι κό πεδίο αντίθετο προς το εξωτερικό πεδίο. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό σαν φαινόμενο Meissner. Είναι φανερό ότι η υπεραγωγιμότητα δεν ακολουθεί στους νόμους της κλασσικής ηλεκτροδυναμικής. 4.7 Υπεραγώγιμα υλικά Εκτεταμένη πειραματική έρευνα σε εξειδικ ευμένα εργαστήρια έδειξε ότι εκτός από τον υδράργυρο και άλλα μέταλλα, κράματα και χημικές ενώσεις είναι δυνατό να περιέλθουν στην κατάσταση υπεραγωγιμότητας. Μέχρι τώρα έχουν βρεθεί τουλάχιστον 30 απλά στοιχεία που είναι υπεραγωγοί και πάνω από χίλιες ενώσεις και κράματα. Ενδεικτικός πίνακας μερικών υπεραγώγιμων στοιχείων και ενώσεων δίδονται στον πίνακα 4.1. Είναι χαρακτηριστικό ότι υλικά που χαρακτηρίζονται από άριστες αγώγιμες ιδιότητες λ.χ. υλικά που έχουν ελάχιστη αντίσταση σε κανονικές θερμοκρασίες, όπως ο άργυρος και ο χαλκός, αποτυγχάνουν να αποκτήσουν υπεραγωγιμότητα ακόμη και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι υπεραγώγιμα χαρακτηριστικά αποκτούν ενώσεις και κράματα υπεραγώγιμων υλικών με μη-υπεραγώγιμα υλικά. Επίσης είναι δυνατόν στοιχεία που δεν εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα, να αποκτούν υπεραγωγιμότητα κατά την ένωση μεταξύ τους. Έτσι ο θειούχος χαλκός 90

εμφανίζει υπεραγωγιμότητα στους 1,6Κ παρά το ότι ούτε ο χαλκός, ούτε το θείο εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα. Για αρκετό χρόνο, ο μόνος υπεραγωγός υψηλού T C ήταν η ένωση Nb 3 Sn. Αργότερα κατασκευάσθηκε η ένωση Nb 0,7 9 (AI 0,7 5 Ge 0,2 5 ) 0,2 1 με T C πλησίον της θερμοκρασίας υγροποίησης του υδρογόνου και Η C πάνω από 40 Τesla. Η ένωση Nb 3 Ge έχει T C ίση με 23,2 0 Κ που είναι υψηλότερη από αυτή της υγροποίησης του υδρογόνου. Έχει υποστηριχθεί ότι το μεταλλικό υδρογόνο που θεωρητικά λαμβάνεται από στερεό υδρογόνο με σ.τ. 14Κ, μπορεί να συμπιεστεί με πίεση εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Σύμφωνα με τη θεωρία, το υδρογόνου πιστεύεται ότι είναι ένας ιδανικός υπεραγωγός υψηλής T C που θα μπορούσε να διατηρήσει την υπεραγώγιμη κατάστασή του ακόμα και σε μερικές εκατοντάδες Κ. Πίνακας 4.1 : Υπεραγώγιμα Υλικά Υλικό T C (K) Η 0 C (κρίσιμη μαγνητική επαγωγή) Tesla Αl Hg Ta Pb Nb 44% Nb-56% Ti 50%Nb-50% Zr Υ 3 Ga Nb 3 Ga Nb 3 Sn ΗgBa 2 Ca 2 Gu 2 O 8 1,2 4,2 4,5 7,2 9,4 8,7 9,5 14 15 18 153 0,010 0,041 0,083 0,080 0,195 15 11 50 7 22-91

Ενδεικτικά οι περιοχές υπεραγωγιμότητας διαφόρων μετάλλων φαίνονται στο σχήμα 4.8. 20 15 10 5 0 Al Hg Sn Ta 0 2 4 6 8 10 θερμοκρασία οκ Pb Nb Σχήμα 4.8. Υπεραγώγιμες περιοχές μετάλλων (σχέση H-Τ) Σχήμα 4.8 Οι υπεραγωγοί κατ αναλογία προς του μαγνήτες διακρίνονται σε «μαλακούς» και «σκληρούς».οι «μαλακοί» υπεραγωγοί κατασκευάζονται από καθαρά κυρίως μέταλλα και έχουν χαμηλές τιμές T C και H C, δηλαδή η επιφάνεια υπεραγωγιμότητας στο διάγραμμα H-Τ είναι σχετικά μικρή. Οι «σκληροί» υπεραγωγοί κατασκευάζονται από κράματα ή χημικές ενώσεις με σχετικά υψηλές τιμές Τ C και H C. 4.8 Εφαρμογές υπεραγώγιμων υλικών Τα υπεραγώγιμα υλικά μεταξύ των άλλων χρησιμοποιούνται και στις παρακάτω εφαρμογές: 1. Μαγνήτες υψηλού πεδίου Μέχρι σήμερα η περισσότερο πρακτική εφαρμογή των υπεραγωγών είναι η δημιουργία υψηλού μαγνητικού πεδίου. Δεν υπάρχει καμιά αμφιβολία ότι στον τομέα αυτό η χρήση ενός σωληνοειδούς από υπεραγώγιμο υλικό πλεονεκτεί έναντι των συνηθισμένων μαγνητών. Π.χ. ένα μαγνητικό πεδίο από 10 Weber/m 2 ή 100.000 Gauss μπορεί να δημιουργηθεί από σωληνοειδές όχι μεγαλύτερο από 15x20 cm, ενώ ένας συνηθισμένος μαγνήτης θα απαιτούσε 92

τεράστιο συγκριτικά όγκο, μερικά μεγαβάτ ενέργεια ηλεκτρική και τουλάχιστον μερικές εκατοντάδες γαλόνια νερό ψύξης ανά λεπτό. Για τη δημιουργία υψηλών μαγνητικών πεδίων, θα πρέπει οι υπεραγωγοί να έχουν τη δυνατότητα να παραμένουν σε υπεραγώγιμη κατάσταση σε υψηλά μαγνητικά πεδία. Παρακάτω δίδονται οι κρίσιμες τιμές θερμοκρασίας και μαγνητικού πεδίου, για τους περισσότερο σημαντικούς «σκληρούς» υπεραγωγούς (πίνακας 4.2).Πρέπει να τονισθεί ότι δεν είναι εύκολη η παραγωγή των ενώσεων του πίνακα 4.2 και διαφοροποιήσεις στις τεχνικές παρασκευής των υπεραγώγιμων ενώσεων είναι δυνατόν να οδηγήσουν σε υλικά με διαφορετικές τιμές T C και H C (B C ). Mόνο δύο ενώσεις, οι Nb 3 Sn και V 3 Ga έχουν μέχρι σήμερα εξελιχθεί σε πρακτικούς υπεραγωγούς. Το υλικό που θεωρείται ότι έχει τις προϋποθέσεις για υψηλές τιμές T C και H C (B C ) είναι το ΒΝSi, αλλά μέχρι σήμερα δεν υπάρχει απόδειξη γι αυτό. 2. Διακόπτες και στοιχεία μνήμης Η χρήση υπεραγωγών σαν διακόπτες προκύπτει από την ιδιό τητά τους να αποκτούν «κανονική» (αγώγιμη) κατάσταση παρουσία μαγνητικού πεδίου όταν η μαγνητική ροή είναι πάνω από την H C. Ένα υπεραγώγιμο σύρμα μπορεί Πίνακας 4.2: Τιμές Τc-Β C υπεραγώγιμων ενώσεων Υλικό T C (K) H C.10-7 A/m Pb 0,9 Mo 5,1 S 6 V 3 Ga NbN V 3 Si Nb 3 Sn Nb 3 Ga Nb 3 (AI 0,7 Ge 0,3 ) Nb 3 Ge 14,4 14,8 15,7 16,9 18 20,2 20,7 22,5 4,8 1,9 0,8 1,8 2,1 2,6 3,3 2,9 να αποκτήσει αντίσταση, αν εισαχθεί σε μαγνητικό πεδίο που παράγεται με ροή ρεύματος σε άλλο υπεραγώγιμο σύρμα. Στοιχεία μνήμης, στηριζόμενα σε 93

τέτοιους διακόπτες έχουν ήδη κατασκευασθεί αλλά δεν χρησιμοποιήθηκ αν ποτέ μέχρι σήμερα με εμπορική επιτυχία. 3. Μαγνητόμετρα Τα μαγνητόμετρα που στηρίζονται σε υπεραγώγιμα υλικά είναι πολύ ευαίσθητα και χρησιμοποιούνται κύρια για δύο σκοπούς μέχρι σήμ ερα: α) Για τον εντοπισμό πυρηνικών υποβρυχίων (οι άλλες μέθοδοι π.χ. μικροκύματα, ηχοβολισμός κ.τ.λ. δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σ αυτή τη περίπτωση). β) Για τον εντοπισμό της μορφής του γήινου μαγνητικού πεδίου, με βάση μετρήσεις σε αρχαιολογικά κεραμικά ευρήματα. 4. Μετρολογία Οι υπεραγωγοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον προσδιορισμό φυσικών σταθερών, όπως τα Laser χρησιμοποιήθηκαν στον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός με μεγάλη επιτυχία. Ως αποτέλεσμα της χρήσης υπεραγωγών, η σταθερά του P lanck προσδιορίσθηκε με μεγάλη ακρίβεια 6,626196.10-34 J.S αντί 6,62559.10-34 J.S. 5. Συστήματα ανάρτησης και κινητήρες Συστήματα ανάρτησης μπορούν να κατασκευασθούν με τη χρήση υπεραγωγών κατά την αλληλοεπίδραση μεταξύ μαγνητικής ροής που παράγεται εξωτερικά και ρευμάτων που ρέουν σ ένα υπεραγωγό. 6. Ανιχνευτές ακτινοβολίας Η λειτουργία των συσκευών αυτών βασίζεται στη θερμότητα που προέρχεται από προσπίπτουσα ακτινοβολία. Ο υπεραγωγός διατηρείται μόλις πάνω από τη κρίσιμη θερμοκρασία του, όπου η αντίσταση μεταβάλλεται σημαντικά με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Η μεταβολή της αντίστασης αποτελεί συνάρτηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. 7. Βαλβίδες θερμότητας Η θερμική αγωγιμότητα μερικών υπεραγωγών, μπορεί να αυξηθεί μέχρι και κατά δύο τάξεις μεγέθους, όταν γίνονται «κανονικοί» με επίδραση 94

μαγνητικού πεδίου. Το φαινόμενο αυτό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εργαστηριακά συστήματα ψύξης που έχουν σχεδιαστεί για θερμοκρασίες κάτω από 0,3Κ. 8. Μαγνητικοί τομογράφοι Η κατασκευή και λειτουργία μαγνητικών τομογράφω ν στην ιατρική διαγνωστική, απαιτεί τη χρήση ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών από υπεραγώγιμα υλικά (για να έχουν μικρό μέγεθος). 9. Θερμοπυρηνική σύντηξη Η δημιουργία ισχυρών μαγνητικών πεδίων είναι ο μοναδικός τρόπος εγκλωβισμού του πλάσματος των ιονισμένων αε ρίων θερμοκρασίας 100 εκατομμυρίων βαθμών που απαιτείται για την έναρξη και διατήρηση της σύντηξης. Η χρησιμοποίηση υπεραγώγιμων ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών από υλικά με υψηλά T C, θα μπορεί να βοηθήσει στην πραγματοποίηση ελεγχόμενης σύντηξης για πρακτική χρήση χωρίς κατάλοιπα ραδιενέργειας. 10. Μαγνητικά τραίνα Οι εφαρμογές των υπεραγώγιμων υλικών μπορούν να επεκταθούν στα μαγνητικών «αιωρούμενα» τραίνα που εξελίσσονται στη Γερμανία και Ιαπωνία. 11. Μεταφορά ενέργειας Με τα σημερινά κλασικά καλώδια υψηλής τάσης το 20-30% της μεταφερόμενης ενέργειας, χάνεται λόγω της αντίστασης των αγωγών. Αν χρησιμοποιηθούν υπεραγώγιμα καλώδια τότε οι απώλειες μηδενίζονται. 12. Ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Στον τομέα των ηλεκτρονικών, η υπεραγωγιμότητα θα μπορούσε να δώσει τη δυνατότητα για ακόμη μεγαλύτερη σμίκρυνση των κυκλωμάτων των υπολογιστών και λειτουργία με ταχύτητα 1.000 φορές μεγαλύτερη, χωρίς το φόβο καταστροφής των από τη θερμότητα που παράγει η διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος από τα κλασικά κυκλώματα. 95

13. Επιταχυντές σωματιδίων Οι επιταχυντές σωματιδίων χρησιμοποιούν ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες. Ο επιταχυντής Tevatron, στο Σικάγο (ΗΠΑ), που είναι μεγαλύτερος στον κόσμο, χρησιμοποιεί πάνω από 1.000 ηλεκτρομαγνήτες με υπεραγωγούς που ψύχονται με άζωτο θα χρησιμοποιηθούν στο νέο επιταχυντή που κατασκευάζεται και που θα χρησιμοποιεί 10.000 ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες. 14. Αποθήκευση ενέργειας Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να αποταμιεύεται σε μεγάλα πηνία υπεραγώγιμου υλικού, για να χρησιμοποιηθεί όταν χρειάζεται. Επίσης η επιπλέον ενέργεια που παράγεται σε ώρες χαμηλής κατανάλωσης, μπορεί να χρησιμοποιείται σε ώρες αιχμής. Βιβλιογραφία "Lectures on the Electrical Properties of Ma terials", L. Solymat & D. Walsh, Oxford University Press, 1983 "Materials Science and Engineering -An Introduction", W.D. Callister Jr., J.Wiley, N.York, 1997 96