Supraconductorii si

aplicatiile lor

1

Supraconductor:

Un element, aliaj inter-metalic, sau compus care va conduce curent electric fara rezistenta, sub o

anumita temperatura. Rezistenta este nedorita deoarece cauzeaza pierderi in energia care curge prin

metal.

Odata pus in miscare, curentul electric va curge pentru totdeauna intr-un circuit inchis format idn

material supraconductor- ceea ce face acest fenomen cel mai apropiat lucru de perpetuum mobile in

natura. Oamenii de stiinta se refera la supraconductivitate ca la un fanomen cuantic macroscopic.

Istoria Supraconductorilor

Supraconductorii, materiale care nu manifesta nici o rezistenta la trecerea prin ele a curentului

electric, sunt una dintre frontierele descoperirilor stiintifice. Nu numai ca limitele supraconductivitatii

nu au fost inca atinse, dar teoriile care explica comportamentul supraconductorilor sunt constant

reevaluate. In 1911, supraconductivitatea a fost observata pentru prima oara in mercur de catre

fizicianul olandez heike Kamerlingh Onnes de la Universitatea Leiden. Cand mercurul a fost racit pana

la temperatura heliului lichid, 4 grade Kelvin(-269 grade celsius), rezistenta lui electrica a disparut

brusc. Astfel, Onnes a trebuit sa se apropie la 4 grade de cea mai scazuta temperatura posibila teoretic

incat sa fie martor la fenomenul de supraconductibilitate. Mai tarziu, in 1913 el a castigat Premiul

Nobel in fizica pentru cercetarile lui in acest domeniu.

Urmatorul mare pas in a intelege cum se comporta materia la temperaturi extrem de scazute a

fost facut in 1933. Cercetatorii germani Walter Meissner si Robert Ochsenfeld au descoperit ca un

material aflat in stare de supraconductibilitate respinge un camp magnetic(figura de mai jos). Dupa

cum bine stiti, un magnet care este deplasat pe langa un conductor induce curent electric in acel

conductor. Acest este principiul dupa care functioneaza un generator electric. Dar, intr-un

supraconductor, curentul indus imita exact campul care ar fi patruns in mod normal materialul

supraconductor- cauzand astfel respingerea magnetului. Acest fenomen se numeste diamagnetism

2

puternic si astazi este cunoscut sub numele de Efectul Meissner. Efectul Meissner este atat de

puternic incat un magnet poate chiar sa leviteze despupra unui material supraconductor.

In deceniile urmatoare, alte metale, aliaje si compusi supraconductori au fost descoperiti. In

1941 s-a descoperit ca niobium-nitritul se comporta ca un supraconductor la 16 K. In 1953 vanadiu-

silicon manifesta proprietati supraconductoare la 17.5 K. Si, in 1962 savantii de la Westinghouse au

dezvoltat primuele fire supraconductoare, un aliaj din niobiu si titaniu(NbTi). Electromegneti de

energie mare acceleratori de particule construiti din cupru-clad niobiu-titaniu au fost atunci dezvoltati

in anii 1960 la laboratorul Rutheford-Appleton din marea Britanie, si au fost folositi pentru prima data

ca acceleratori supraconductori la Fermilab Tevatron in Statele Unite in 1987.

Prima intelegere teoretica acceptata pe scara larga a fost dezvoltata in 1957 de fizicienii

americani John bardeen, leon Copper si John Schrieffer(mai sus). Teoriile lor asure

Supracondictibilitatii au devenit cunoscute ca Teoria BCS( din prima initiala a numele fiecarui savant)

si le-au adus Premiul Nobel in 1972. Teoria BCS, complexa din punct de vedere matematic, explica

supraconductibilitatea la temperaturi apropiate de zero absolut pentru elemente si aliaje simple. Totusi,

la temperaturi mai ridicate si cu sisteme diferite de supraconductori, teoria BCS a devenit inadecvata

pentru a explica pe deplin modul in care se produce supraconductibilitatea.

3

Un alt progres teoretic semnificativ a fost inregistrat in 1962 cand brian D. Josephson(figura de

mai sus), absolvent al Universitatii Cambridge, a prezis ca curentul electric va curge intre doua

meteriale supraconductoare, chiar si cnad acestea sunt separate de un non-supraconductor sau izolator.

Prezicerea sa a fost confirmata mai tarziu si i-a adus o parte din Premiul Nobel pentru fizica din anul

1973. Acest efect de tunel este cunoscut astazi ca Efectul Josephson si a fost aplicat la dispozitive

electronice precum SQUID, un instrument capabil sa detecteze cele mai slabe campuri magnetice.

Anii 1980 au fost un deceniu de descoperiri in domeniul supraconductibilitatii. In 1964 Bill

Little de la Universitatea Stanford a sugerat posibilitatea supraconductorilor organici( bazati pe

carbon). Primul dintre acesti supraconductori teoretici a fost sintetizat cu succes in 1980 de catre

cercetatorul danez Klaus Bechgaard de la Universitatea din Copenhaga si de inca 3 membri ai echipei

sale. (TMTSF)2PF6 a trebuit sa fie racit la incredibila temperatura de tranzitie de 1,2 K si supus la

presiuni ridicate pentru a supraconduce. Dar, simpla sa existenta a demonstrat posibilitatea

moleculelor proiectate- molecule facute sa se comporte intr-un anume fel.

Apoi, in 1986, o descoperire remarcabila a fost facut in domeniul supraconductibilitatii. Alex

Muller si Georg Bednorz( mai sus), cercetatori la IBM Research Laboratory din Ruschlikon, Elvetia, au

creat un compus ceramic casant, care manifesta proprietati supraconductoare la cea mai ridicata

temperatura de pana atunci 30K. Ceea ce a facut aceasta descoperire cu adevarat remarcabila a fost

faptul ca in mod normal materialele ceramice sunt izolatoare. Nu conduc electricitatea bine deloc.

Astfel, cercetatorii nu le considerasera drept candidate pentru supraconductori de temperatura inalta.

Compusul din Lanthanum, Bariu, Cupru si Oxigen pe care Muller si Bednorz il sintetizasera, se

4

somporta intr-un mod care nu era inca pe deplin inteles. Descoperirea primului supraconductor cupru-

oxigen (cuprat) le-a adus celor doi Premiul Nobel anul urmator. S-a descoperit mai tarziu ca cantitati

foarte mici din acest material supraconduceau la 58K, datorita unei mici cantitati de plumb care fusese

adaugata ca un standard de calibrare- fapt ce facea aceasta descoperire si mai demna de luat in seama.

Descoperirea lui Muller si bednorz a declansat o adevarata fervoare in domeniul

supraconductibilitatii. Cercetatori din toata lumea au inceput sa prepare materiale ceramice in toate

combinetiile posibile, intr-o continua cautare pentru temperaturi de tranzitie cat mai mari. In ianuarie

1987, o echipa de cercetatori de la Universitatea Alabama-Huntsville a substituit Lanthanumul cu

Yttriu in molecula lui Muller si bednorz si au atins incredibila demperatura de 92K. Pentru prima data

un material( astazi cunoscut sub numele de YBCO) care era supraconductor la o temperatura mai

ridicata decat aceea a azotului lichid fusese descoperit. Descoperiri editionale au fost facute de atunci

utilizand elemente exotice(uneori chiar toxice) in combinatii ceramice. Clasa curenta ( sistemul curent)

de supraconductori ceramici cu cea mai mare pemperatura de tranzitie sut cupratii de mercur. Prima

sinteza a unuia dintre acesti compusi a fost realizata in 1993 de Prof. Dr. Ulker Onbasli si H. R. Ott de

la Zurich, Elvetia. Recordul mondial de 138 K este detinut la ora actuala de un cuprat de mercur cu

Taliu, compus din Mercur, Taliu, Bariu, Calciu, Cupru si Oxigen. Temperatura de 138K pentru acest

compus a fost confirmata de Dr. Ron Goldfarb de la national Institute of Standards and technology-

Colorado in Februarie 1994. la presiuni extreme, temperatura poate fi ridicata cu aproximativ 25-30 de

grade mai mult( la aproximativ 300000) atmosfere.

Prima companie care a profitat de pe urma supraconductorilor de temperatura inalta a fost

Illinois Superconductor ( astazi cunoscuta ca ISCO International), fondata in 1989. Acest amalgam de

interese guvernamentale, private si academice a introdus un senzor de adancime pentru echipamente

medicale care era capabil sa functioneze la temperatura azotului lichid(~77K).

Desi nici o descoperire semnificativa in temperatura de tranzitie a supraconductorilor nu a fost

facut in ultimii ani, alte descoperiri de o egala importanta au avut loc. In 1997 cercetatorii au descoperit

ca la o temperatura foarte aproape de zero absolut, un aliaj de aur si indiu era in acelasi timp

supraconductor si magnet natural. Intelepciunea traditionala sustinea ca un astfel de material nu poate

exista! De atunci, aorpape 6 asemenea compusi au fost descoperiti. In ultimii ani s-a descoperit de

asemenea primul supraconductor de temperatura inalta care NU CONTINE CUPRU(2000) si primul

supraconductor ceramic in intregime din metal(2001). Tot in 2001, un material care statea pe rafturile

5

din laboratoare de decenii s-a descoperit a fi un supraconductor extraordinar de bun. Cercetatorii

japonezi au masurat temepratura de tranzitie a diboridului de magneziu la 39K, cu mult desupra celei

mai mari temperaturi de tranzitie al unu aliaj binar sau elementar supraconductor. In timp ce 39K este

cu mult sub temperatura de tranzitie a supraconductorilor ceramici calduti, rafinari ulterioare in

modul in care MgB2 este fabricat au deschis calea pentru utilizarea lui in aplicatii industriale. Teste de

laborator au descoperit ca MgB2 va depasi performantelefirelor din NbTi si Nb3Sn in aplicatii cu camp

magnetic ridicat, precum MRI( aparatul de rezonanta magnetica nucleara folosit pentru aplicatii

medicale de diagnosticare).

Desi o teorie care sa explice supraconductibilitatea la temperatura inalta inca ii scapa stiintei

moderne, ocazional apar indicii care contribuie la intelegera noastra a naturii exotice a acestui fenomen.

In 2005, de exemplu, Superconductors.ORG a descoperit ca prin cresterea raporturilor de greutate a

planurilor alternante din interiorul supraconductorilor ceramici poate creste semnificativ temperatura de

tranzitie. Acest fapt a dus la descoperirea a peste o duzina de noi supraconductori cupru-oxigen,

incluzand un SuperYBCO de performanta inalta.

Aplicatii ale Supraconductorilor

1)Levitatia magnetica este o aplicatie in care supraconductorii se comporta extrem de bine. Vehicule de

transport, precum trenurile, pot fi facute sa pluteasca pe magneti supraconductori puternici,

eliminand aproape total frecarea dintre tren si sinele sale. Electromagnetii conventionali ar risipi o mare

parte din energia electrica sub forma de caldura, si ar trebui sa fie din punct de vedere al dimensiunilor

mult mai mari decat magnetii supraconductori. Un progres foarte important in utilizarea comerciala a

tehnologiei Maglev( Magnetic Levitation= levitatie magnetica) s-a produs in 1990 cand a castigat

statutul de proiect finantat national in Japonia. Ministerul Transportului a autorizat construirea Liniei

6

de Testare Maglev yamanashi, care s-a deschis pe 3 aprilie 1997. in decembrie 2003, vehiculul de

testare MLX01 ( aratat mai sus) a atins o viteza incredibila de 581 km/h.

Desi tehnologia si-a dovedit acum functionalitatea, uzul pe scara mai larga al vehiculelor

Maglev a fost constrans de ingrijorari politice si ecologice (campurile magnetice puternice pot crea

hazarduri biologice). Primul tren Maglev din lume care a fost adoptat in serviciul public, in

Birmingham, Marea Britanie, a fost inchis in 1997 dupa ce a operat vreme de 11 ani. Un magelv Sino-

German opereaza la momentul de fata pe o distanta de 30 km la Aeroportul International Pudong in

Shanghai, China. Stalele Unite planuiesc ca aiba si ele in operatie primul lor tren maglev

nesupraconductor anul acesta intr-un campus Universitar din Virginia.

2)Un domeniu in care supraconductorii pot intreprinde o functie salvatoare de vieti este acela al

biomagnetismului. Medicii au nevoie de un mijloc non-invaziv de a determina ce se intampla in corpul

uman. Prin aplicarea unui camp magnetic unui camp magnetic foarte puternic derivat din

supraconductori corpului uman, atomii de hidrogen care exista in apa din organismul uman si

moleculele de grasime sunt fortate sa accepte energie de la campul magnetic. Mai apoi ele elibereaza

aceasta energie sub forma unei frecvente care poate fi detectata si afisata grafic de un computer. IRM

( Imagistica cu rezonanta megnetica) a fost de fapt descoperita la mijlocul anilor 1940, dar primul

exemen IRM pe un corm uman nu a fost efectuat pana la 3 iuli3 1977. Si, a durat aproximativ cinci ore

pentru a produce o singura imagine! Astazi, computerele mult mai rapide proceseaza datele intr-un

timp mult mai scurt.

Korean Superconductivity Group sin cadrul KRISS a dus tehnologia biomagnetica un pas mai

departe prin dezvoltarea unui SQUID cu dubla relaxare oscilare( Dispozitiv Supraconductor de

Interferenta Cuantica) pentru utilizare in magnetoencefalografie. SQUIDurile sunt capabile sa simta o

7

schimbare intr-un camp megnetic de un miliard de ori mai slaba decat forta care misca acul unei

busole. Cu aceasta tehnologie, corpul poate fi cercetat la anumite adancimi fara nevoia de campuri

magnetice forte puternice asociate cu IRM.

3) Generatoarele electrice cu fire supraconductoare sunt cu mult mai eficiente decat generatoarele

treditionale infasurate cu sarma din cupru. De fapt, eficienta lor este de peste 99% si simensiunile lor

sunt cam jumatate din cele ale generatoarelor conventionale. Aceste calitati le fac foarte profitabile

pentru utilitatile energetice. General Electric a estimat ca piata potentiala pentru generatoare

supraconductoare pe plan global in urmatorii 10 ani la aproximativ 20-30 miliarde de dolari.

Departamentul De Energie al Statelor Unite a alocat General Electric in 2002 suma de 12 miliarde de

dolari pentru a aduce tehnologia generatoarelor supraconductoare cu temperatura inalta in stadiul ce

comercializare.

Alte proiecte energetice comerciale aflate in lucru care folosesc tehnologia supraconductoare

includ depozitarea energiei pentru a mari stabilitatea energetica. American Superconductor Corporation

a primit o comanda de la Aliiant Energy in martie 2000 de a instala un Sistem Magnetic de Depozitare

a Energiei( D-SMES) in wisconsin. Doar una dintre aceste 6 unitati D-SMES are capacitatea de a

conserva peste 3 milioane de wati, care pot di folositi oricand este nevoie de a stabiliza voltajul in linii

in cazul unei perturbari in sistemul national de alimentare cu energie.

The General Atomics/Intermagnetics General superconductingFault Current Controller, employing HTS superconductors.

Grupul elvetian ABB a anuntat recent dezvoltarea unui limitator de curent anti-eroare de 6.4

Mega Volti Amper- cel mai puternic din lume. Statele Unite si Japonia au planuri de a inlocui cablurile

de energie electrica subterane su cabluri supraconductoare BSCC) racite cu azot lichid. Prin aceasta

masura, mai mult curent poate fi directionat prin tunelurile de cabluri existente. Intr-o incercare, 113

8

kilograme de fire supraconductoare au inlocuit 8164 kilograme de fire de cupru, facand sistemul asfel

mai eficient cu 6900%.

4)Supraconductorii si-au gasit aplicabilitate si in domeniu militar. SQUIDuri HTSC sunt folosite de

marina Statelor Unite in detectarea minelor si submarinelor. Totodata, motoare semnificativ mai mici

sunt construite pentru nave ale marinei utilizand benzi si fire supraconductoare. In iulie 2001,

American Superconductor a dezvaluit un motor de 5000 de cai putere construit cu fire

supraconductoare(imaginea de mai jos) si se asteapta sa livreze unmotor si mai mare de nava de 36.5

MW HTS marinei americane pana in septembrie 2006. Alte aplicatii militare sunt in curs de dezvoltare,

cum ar fi cabluri pentru demagnetizarea vaselor de razboi sau antene de detectie mai mici pentru

submarine.

Cea mai puternica aplicatie militara poate veni cu lansarea E-bombelor . Aceste dispozitive folosesc

campuri magnetice foarte puternice derivate din supraconductori pentru a crea un puls magnetic rapid

de intensitate mare (EMP) pentru a distruge echipamentul electronic al inamicului.Un astfel de

dispozitiv a fost folosit pentru prima oara in 2003 cand fortele americane au atacat o statie de transmisii

irakiana.

9

5) Detectori supraconductori de raze X si detectori de lumina supraconductori foarte rapizi sunt in curs

de dezvoltare. Agentia Spatiala Europeana(ESA) a dezvoltat ceea ce se numeste S-Cam, o camera

optica de o sensibilitate fenomenala(fotografia de mai sus). Si in domeniul comunicatiilor sunt in curs

de dezvoltare proiecte ce vor mari viteza transferurilor de date, care deja a crescut exponential.

Supraconductibilitate

Supraconductor:

Un element, aliaj inter-metalic, sau compus care va conduce curent electric fara rezistenta, sub o

anumita temperatura. Rezistenta este nedorita deoarece cauzeaza pierderi in energia care curge prin

metal.

Odata pus in miscare, curentul electric va curge pentru totdeauna intr-un circuit inchis format idn

material supraconductor- ceea ce face acest fenomen cel mai apropiat lucru de perpetuum mobile in

natura. Oamenii de stiinta se refera la supraconductivitate ca la un "fanomen cuantic macroscopic".

Istoria Supraconductorilor

Supraconductorii, materiale care nu manifesta nici o rezistenta la trecerea prin ele a curentului electric,

sunt una dintre frontierele descoperirilor stiintifice. Nu numai ca limitele supraconductivitatii nu au fost

inca atinse, dar teoriile care explica comportamentul supraconductorilor sunt constant reevaluate. In

1911, supraconductivitatea a fost observata pentru prima oara in mercur de catre fizicianul olandez

heike Kamerlingh Onnes de la Universitatea Leiden. Cand mercurul a fost racit pana la temperatura

heliului lichid, 4 grade Kelvin(-269 grade celsius), rezistenta lui electrica a disparut brusc. Astfel,

Onnes a trebuit sa se apropie la 4 grade de cea mai scazuta temperatura posibila teoretic incat sa fie

martor la fenomenul de supraconductibilitate. Mai tarziu, in 1913 el a castigat Premiul Nobel in fizica

pentru cercetarile lui in acest domeniu.

Urmatorul mare pas in a intelege cum se comporta materia la temperaturi extrem de scazute a fost facut

10

in 1933. Cercetatorii germani Walter Meissner si Robert Ochsenfeld au descoperit ca un material aflat

in stare de supraconductibilitate respinge un camp magnetic(figura de mai jos). Dupa cum bine stiti, un

magnet care este deplasat pe langa un conductor induce curent electric in acel conductor. Acest este

principiul dupa care functioneaza un generator electric. Dar, intr-un supraconductor, curentul indus

imita exact campul care ar fi patruns in mod normal materialul supraconductor- cauzand astfel

respingerea magnetului. Acest fenomen se numeste diamagnetism puternic si astazi este cunoscut sub

numele de "Efectul Meissner". Efectul Meissner este atat de puternic incat un magnet poate chiar sa

leviteze despupra unui material supraconductor.

In deceniile urmatoare, alte metale, aliaje si compusi supraconductori au fost descoperiti. In 1941 s-a

descoperit ca niobium-nitritul se comporta ca un supraconductor la 16 K. In 1953 vanadiu-silicon

manifesta proprietati supraconductoare la 17.5 K. Si, in 1962 savantii de la Westinghouse au dezvoltat

primuele fire supraconductoare, un aliaj din niobiu si titaniu(NbTi). Electromegneti de energie mare

acceleratori de particule construiti din cupru-clad niobiu-titaniu au fost atunci dezvoltati in anii 1960 la

laboratorul Rutheford-Appleton din marea Britanie, si au fost folositi pentru prima data ca acceleratori

supraconductori la Fermilab Tevatron in Statele Unite in 1987.

Prima intelegere teoretica acceptata pe scara larga a fost dezvoltata in 1957 de fizicienii americani John

bardeen, leon Copper si John Schrieffer(mai sus). Teoriile lor asure Supracondictibilitatii au devenit

cunoscute ca Teoria BCS( din prima initiala a numele fiecarui savant) si le-au adus Premiul Nobel in

1972. Teoria BCS, complexa din punct de vedere matematic, explica supraconductibilitatea la

temperaturi apropiate de zero absolut pentru elemente si aliaje simple. Totusi, la temperaturi mai

ridicate si cu sisteme diferite de supraconductori, teoria BCS a devenit inadecvata pentru a explica pe

deplin modul in care se produce supraconductibilitatea.

Un alt progres teoretic semnificativ a fost inregistrat in 1962 cand brian D. Josephson(figura de mai

sus), absolvent al Universitatii Cambridge, a prezis ca curentul electric va curge intre doua meteriale

supraconductoare, chiar si cnad acestea sunt separate de un non-supraconductor sau izolator. Prezicerea

sa a fost confirmata mai tarziu si i-a adus o parte din Premiul Nobel pentru fizica din anul 1973. Acest

efect de tunel este cunoscut astazi ca "Efectul Josephson" si a fost aplicat la dispozitive electronice

precum SQUID, un instrument capabil sa detecteze cele mai slabe campuri magnetice.

Anii 1980 au fost un deceniu de descoperiri in domeniul supraconductibilitatii. In 1964 Bill Little de la

Universitatea Stanford a sugerat posibilitatea supraconductorilor organici( bazati pe carbon). Primul

dintre acesti supraconductori teoretici a fost sintetizat cu succes in 1980 de catre cercetatorul danez

Klaus Bechgaard de la Universitatea din Copenhaga si de inca 3 membri ai echipei sale. (TMTSF)2PF6

a trebuit sa fie racit la incredibila temperatura de tranzitie de 1,2 K si supus la presiuni ridicate pentru a

11

supraconduce. Dar, simpla sa existenta a demonstrat posibilitatea "moleculelor proiectate"- molecule

facute sa se comporte intr-un anume fel.

Apoi, in 1986, o descoperire remarcabila a fost facut in domeniul supraconductibilitatii. Alex

Muller si Georg Bednorz( mai sus), cercetatori la IBM Research Laboratory din Ruschlikon, Elvetia, au

creat un compus ceramic casant, care manifesta proprietati supraconductoare la cea mai ridicata

temperatura de pana atunci 30K. Ceea ce a facut aceasta descoperire cu adevarat remarcabila a fost

faptul ca in mod normal materialele ceramice sunt izolatoare. Nu conduc electricitatea bine deloc.

Astfel, cercetatorii nu le considerasera drept candidate pentru supraconductori de temperatura inalta.

Compusul din Lanthanum, Bariu, Cupru si Oxigen pe care Muller si Bednorz il sintetizasera, se

somporta intr-un mod care nu era inca pe deplin inteles. Descoperirea primului supraconductor cupru-

oxigen (cuprat) le-a adus celor doi Premiul Nobel anul urmator. S-a descoperit mai tarziu ca cantitati

foarte mici din acest material supraconduceau la 58K, datorita unei mici cantitati de plumb care fusese

adaugata ca un standard de calibrare- fapt ce facea aceasta descoperire si mai demna de luat in seama.

Descoperirea lui Muller si bednorz a declansat o adevarata fervoare in domeniul supraconductibilitatii.

Cercetatori din toata lumea au inceput sa "prepare" materiale ceramice in toate combinetiile posibile,

intr-o continua cautare pentru temperaturi de tranzitie cat mai mari. In ianuarie 1987, o echipa de

cercetatori de la Universitatea Alabama-Huntsville a substituit Lanthanumul cu Yttriu in molecula lui

Muller si bednorz si au atins incredibila demperatura de 92K. Pentru prima data un material( astazi

cunoscut sub numele de YBCO) care era supraconductor la o temperatura mai ridicata decat aceea a

azotului lichid fusese descoperit. Descoperiri editionale au fost facute de atunci utilizand elemente

exotice(uneori chiar toxice) in combinatii ceramice. Clasa curenta ( sistemul curent) de supraconductori

ceramici cu cea mai mare pemperatura de tranzitie sut cupratii de mercur. Prima sinteza a unuia dintre

acesti compusi a fost realizata in 1993 de Prof. Dr. Ulker Onbasli si H. R. Ott de la Zurich, Elvetia.

Recordul mondial de 138 K este detinut la ora actuala de un cuprat de mercur cu Taliu, compus din

Mercur, Taliu, Bariu, Calciu, Cupru si Oxigen. Temperatura de 138K pentru acest compus a fost

confirmata de Dr. Ron Goldfarb de la national Institute of Standards and technology- Colorado in

Februarie 1994. la presiuni extreme, temperatura poate fi ridicata cu aproximativ 25-30 de grade mai

mult( la aproximativ 300000) atmosfere.

Prima companie care a profitat de pe urma supraconductorilor de temperatura inalta a fost Illinois

Superconductor ( astazi cunoscuta ca ISCO International), fondata in 1989. Acest amalgam de interese

guvernamentale, private si academice a introdus un senzor de adancime pentru echipamente medicale

care era capabil sa functioneze la temperatura azotului lichid(~77K).

Desi nici o descoperire semnificativa in temperatura de tranzitie a supraconductorilor nu a fost facut in

12

ultimii ani, alte descoperiri de o egala importanta au avut loc. In 1997 cercetatorii au descoperit ca la o

temperatura foarte aproape de zero absolut, un aliaj de aur si indiu era in acelasi timp supraconductor si

magnet natural. Intelepciunea traditionala sustinea ca un astfel de material nu poate exista! De atunci,

aorpape 6 asemenea compusi au fost descoperiti. In ultimii ani s-a descoperit de asemenea primul

supraconductor de temperatura inalta care NU CONTINE CUPRU(2000) si primul supraconductor

ceramic in intregime din metal(2001). Tot in 2001, un material care statea pe rafturile din laboratoare

de decenii s-a descoperit a fi un supraconductor extraordinar de bun. Cercetatorii japonezi au masurat

temepratura de tranzitie a diboridului de magneziu la 39K, cu mult desupra celei mai mari temperaturi

de tranzitie al unu aliaj binar sau elementar supraconductor. In timp ce 39K este cu mult sub

temperatura de tranzitie a supraconductorilor ceramici "calduti", rafinari ulterioare in modul in care

MgB2 este fabricat au deschis calea pentru utilizarea lui in aplicatii industriale. Teste de laborator au

descoperit ca MgB2 va depasi performantelefirelor din NbTi si Nb3Sn in aplicatii cu camp magnetic

ridicat, precum MRI( aparatul de rezonanta magnetica nucleara folosit pentru aplicatii medicale de

diagnosticare).

Desi o teorie care sa explice supraconductibilitatea la temperatura inalta inca ii scapa stiintei moderne,

ocazional apar indicii care contribuie la intelegera noastra a naturii exotice a acestui fenomen. In 2005,

de exemplu, Superconductors.ORG a descoperit ca prin cresterea raporturilor de greutate a planurilor

alternante din interiorul supraconductorilor ceramici poate creste semnificativ temperatura de tranzitie.

Acest fapt a dus la descoperirea a peste o duzina de noi supraconductori cupru-oxigen, incluzand un

"Super"YBCO de performanta inalta

SUPRACONDUCTORII

tiai c anumite materiale ceramice i cteva metale, cnd sunt aduse la temperaturi cuprinse ntre zero absolut i temperatura de lichefiere a azotului (77 K) i pierd complet rezistivitatea electric? Temperatura la care rezistena electric devine nul se numete temperatur critic (Tc) i variaz de la un material la altul. Starea de supraconductibilitate este atins de obicei prin rcirea diverselor materiale cu heliu sau azot lichid. Iat cteva temperaturi critice: din categoria metalelor - Tc-zinc =0.88 K, Tc-aluminiu =1.19 K, Tc-mercur =4.15 K, iar din categoria materialelor ceramice: YBa2Cu3O7 (YBCO) are Tc=91K, iar n cazul compusului TlBaCaCuO - Tc=125K.

Supraconductorii reprezint un tip de conductori electrici a cror rezisten devine practic nul la temperaturi mai mici dect valori specifice materialelor din care sunt construii. Aceast proprietate permite dezvoltarea unor tehnologii precum: vehicule propulsate prin levitaie magnetic i care

13

funcioneaz folosind supraconductibilitatea la temperaturi ceva mai ridicate, vehicule silenioase, care se deplaseaz fr frecare i care sunt foarte uor de accelerat.

n continuarea vor fi introduse principii ce descriu funcionarea supraconductorilor: efectul Meissner, levitaia i suspensia magnetice i efectul de captare n flux magnetic1.

n cadrul acestei demonstraii, obiectul negru din interiorul containerului de polistiren (vezi filmul de deasupra) este un fragment de YBCO (oxid de cupru, ytriu i bariu - un material care capt proprieti de supraconductor la temperaturi ceva mai ridicate). Lng supraconductor este o lingur de fier. La temperatura camerei supraconductorii se comport asemenea pietrelor, fr a interaciona deloc cu lingura. Obiectul cilindric cu nveli metalic este un magnet foarte puternic. Cnd lingura de fier este plasat n apropierea puternicului magnet, acesta este atras rapid spre lingur.

Lichidul fumegnd care este turnat pe supraconductor este azot lichid. Temperatura acestuia este de minus 196 grade Celsius sau 77 de grade Kelvin. Lichidul din preajma supraconductorului trece printr-un proces intens de fierbere datorit cldurii absorbite de azotul lichid din materialul supraconductor. Azotul lichid devine gaz, iar temperatura supraconductorului scade gradat. Cnd procesul de fierbere se oprete, nseamn c supraconductorul i azotul lichid sunt n echilibru termic. Este un indiciu al faptului c temperatura a sczut sub pragul critic de supraconductibilitate, adic 91 de grade Kelvin n cazul compusului de YBCO, materialul avnd n acest moment proprieti supraconductive.

EFECTUL MEISSNER

Pe parcursul procesului de rcire, supraconductorul nu a fost plasat n imediata vecintate a unui magnet. Acest tip de rcire poart numele de rcire nestimulat, ceea ce nseamn c materialul supraconductor este rcit n absena vreunui cmp magnetic exterior. Dup ce materialul capt proprieti supraconductive, pe msur ce un magnet se apropie de el, se manifest un fenomen ciudat. Supraconductorul este respins. Acest fenomen poart numele de efect Meissner.

EFECTUL PRINDERII N FLUXUL MAGNETIC I LEVITAIA MAGNETIC

n continuare fixm supraconductorul dedesubtul magnetului, prin apsarea magnetului spre acesta. Cmpul magnetic generate de magnet va traversa supraconductorul dnd natere unui aa-numit efect de prindere n flux magnetic.

n acest moment supraconductorul i magnetul se resping i se atrag n acelai timp. Aceast combinaie de fore de respingere i de atracie permite magnetului s pluteasc n mod stabil deasupra supraconductorului. Acest fenomen poart numele de levitaie magnetic. Dac magnetul este uor rotit, acesta se va rsuci deasupra supraconductorului, aa cum se poate vedea n clip.

SUSPENSIA MAGNETIC

14

Cnd ridicm magnetul, supraconductorul va prsi i el containerul, rmnnd suspendat - stabil - dedesubtul magnetului. Acest fenomen poart numele de suspensie magnetic. Att levitaia, ct i suspensia magnetice sunt generate de efectul de prindere n flux magnetic.

Atunci cnd separm n mod forat magnetul de supraconductor, pentru a apropia ulterior, din nou, foarte lent magnetul, supraconductorul va fi atras de ctre magnet i adus foarte aproape de acesta. Totui, nu este acelai comportament ca n cazul a doi magnei ai cror poli opui se atrag ducnd la lipirea acestora. Supraconductorul i magnetul se atrag, dar se i resping reciproc, meninnd o distan constant unul fa de cellalt. Dac ntoarcem magnetul cu cellalt pol spre supraconductor i l apropiem de acesta, cel din urm va fi mpins la distan de magnet. Mai mult, supraconductorul va avea tendina de a se rsturna pentru a se realinia, putnd fi astfel din nou atras de ctre magnet.

n rezumat, n urma diverselor procedee de magnetizare, supraconductorul se va comporta n mod diferit, punnd n eviden diverse efecte i fenomene: efectul Meissner, levitaia i suspensia magnetice, dar i efectul de prindere n flux magnetic.

Plecnd de la aceste caracteristici ale supraconductorilor, multe tehnologii moderne sunt n faza de proiect, att pentru aplicaii pe scar larg, aa cum este cazul trenului Maglev destinat transportului n comun, dar i pentru aplicaii la scar mai mic, aa cum este cazul n industria fabricrii semiconductorilor. Tehnologiile supraconductorilor vor continua s evolueze i vor deveni n mod cert calea spre un viitor mai eficient.

Trenurile Maglev

Prima aplicatie practica a fenomenului a fost in domeniul transportului pe cale ferata.Trenurile Maglev utilizeaza campuri magnetice puternice pentru a asigura sustentatia si a avansa. Ceea ce le face deosebite, este faptul ca nu exista contact cu sina, reducand fortele de frecare si permitand trenului sa ajunga la viteze foarte mari.Trenurile Maglev pot ajunge pana la 581 km / ora. Nu ajung insa la vitezele unui avion, deoarece fortele de frecare la altitudine sunt mai mici fata de la sol.

Aceasta tehnologie ar permite trenului sa depaseasca 6437 km / ora intr-un tunel vidat.

Termenul maglev nu se refera numai la vehicule, ci si la sisteme de cai ferate, specific proiectate pentru levitatie magnetica si propulsie.

Trenul leviteaza cu ajutorul unor magneti permanenti montati pe vagoane ce interactioneaza cu campul electromagnetic generat de calea ferata. Acesta este practic motorul trenului.

Principiu de functionarePolii magnetilor opusi se atrag. Este principiul de baza in spatele propulsiei electromagnetice. Electromagnetii sunt similari cu alti magneti, atragand obiectele de metal, insa avantajul este ca forta magnetica nu este permanenta.

15

Conectand la capetele unui fir de cupru o baterie, se creaza un mic camp magnetic. Deconectand firul de la baterie, campul magnetic dispare. Aceasta este diferenta intre electromagneti si magnetii permanenti.

Sistemele de trenuri Maglev se bazeaza pe acest camp magnetic. Sistemul este compus din 3 componente: o sursa de curent, bobine aliniate de-a lungul caii ferate, si magneti permanenti atasati sub tren.

Marea diferenta intre un tren maglev si unul conventional este ca primul functioneaza fara motor cel putin nu unul obisnuit folosit pentru alte masini sau trenuri.

In loc sa foloseasca combustibil, trenul este propulsat de campul magnetic creat de bobinele parcurse de curent.Bobinele parcurse de curent resping magnetii, facand trenul sa leviteze la o distanta de 1 10 cm. O data ce trenul este suspendat, bobinele creaza un sistem magnetic ce trag si imping trenul pe sinele de ghidare. Curentul electric aplicat bobinelor alterneaza pentru a schimba polaritatea lor. Aceasta alternanta face ca campul magnetic din fata trenului sa traga trenul in fata, in timp ce campul magnetic din spatele lui il impinge in fata.

Istoria MaglevHermann Kemper a efectuat cercetari in anul 1922 asupra trenurilor cu sustentatie magnetica. A depus un brevet in domeniu pe 14 august 1934. Din pricina celui de-al doilea razboi mondial, lucrarile sale au fost intrerupte. Japonezii au continuat cercetarile in anul 1962. In Germania incep cercetarile in anul 1973, la Technischen Universitat Braunschweig.In 1983 s-a construit o linie de metrou bazata pe levitatie magnetica, la Berlin. Proiectul s-a dovedit a fi un succes, insa linia a fos inchisa in 1992.Recordul mondial de viteza cu calatori pentru trenuri Maglev a fost de 531 km / ora, in anul 1997.In anul 2003 s-a dat in serviciu linia Transrapid din Shangai, cu o lungime de 30 de km, unind orasul cu aeroportul sau.

AvantajeTrenurile Maglev ajung la viteze mult mai mari decat cele obisnuite, au o acceleratie mai buna si pot urca pante mai abrupte. Randamentul energetic este superior si sunt mult mai sigure, neexistand riscul de deraiere. Desi nu sunt atat de tacute cum se spera, trenurile cu sustentatie magnetica sunt mult mai silentioase decat cele obisnuite.

16

DezavantajeTrenurile Maglev au insa si multe dezavantaje. Nu pot fi folosite cu infrastructura existenta, iar costul ridicat pentru construirea unor cai de rulare noi este foarte ridicat. Un alt dezavantaj este ca trenurile Maglev nu sunt adaptate pentru transportul de marfa.

Turbina Maglev

S-au realizat si turbine eoliene bazate pe principiul maglev (levitatie magnetica) pentru a genera energie electrica.Turbina este orientata pe verticala, iar aripile nu mai au nevoie de rulmenti deoarece sunt suspendate magnetic. Spre deosebire de trenurile bazate pe principiul levitatiei, turbinele folosesc magneti permanenti si nu electromagneti. Astfel, turbinele nu au nevoie de electricitate pentru a functiona, scazand totodata si cheltuielile de intretinere si reparatii.

Turbinele eoliene clasice produc doar 5 MegaWatt / ora, in timp ce o turbina maglev produce 1 GigaWatt / ora, suficient pentru a furniza energie electrica pentru 750.000 de case.

Daca trenurile prezinta dezavantaje din pricina costului ridicat, iar un astfel de tren nu va inlocui pe cele conventionale cel putin nu prea curand turbinele maglev vor avea un succes mai mare.O fabrica de 5 milioane de dolari se afla deja in constuctie in China pentru a produce turbine maglev.Aceste tipuri de turbine reprezinta cea mai eficienta sursa ecologica de energie existenta astazi.

17

IstoricMic istoric despre supraconductiblitate

In 1911, supraconductivitatea a fost observata pentru prima oara in mercur de catre fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes (foto stanga) de la Universitatea Leiden.

Cand mercurul a fost racit pana la temperatura heliului lichid, 4 grade Kelvin(-269 grade celsius), rezistenta lui electrica a disparut brusc.

Mai tarziu, in 1913 el a castigat Premiul Nobel in fizica pentru cercetarile lui in acest domeniu.

Urmatorul mare pas in a intelege cum se comporta materia la temperaturi extrem de scazute a fost facut in 1933. Cercetatorii germani Walter Meissner (foto dreapta jos) si Robert Ochsenfeld au descoperit ca un material aflat in stare de supraconductibilitate respinge un camp magnetic

Dupa cum bine stiti, un magnet care este deplasat pe langa un conductor induce curent electric in acel conductor. Acest este principiul dupa care functioneaza un generator electric. Dar, intr-un supraconductor, curentul indus imita exact campul care ar fi patruns in mod normal materialul supraconductor- cauzand astfel respingerea magnetului.

18

Acest fenomen se numeste diamagnetism puternic si astazi este cunoscut sub numele de Efectul Meissner. Efectul Meissner este atat de puternic incat un magnet poate chiar sa leviteze despupra unui material supraconductor.

In 1941 s-a descoperit ca niobium-nitritul se comporta ca un supraconductor la 16 K. In 1953 vanadiu-silicon manifesta proprietati supraconductoare la 17.5 K.

Prima intelegere teoretica acceptata pe scara larga a fost dezvoltata in 1957 de fizicienii americani John Bardeen, Leon Copper si John Schrieffer. Teoriile lor asupra Supracondictibilitatii au devenit cunoscute ca Teoria BCS( din prima initiala a numelui fiecarui savant) si le-au adus Premiul Nobel in 1972. Teoria BCS, complexa din punct de vedere matematic, explica supraconductibilitatea la temperaturi apropiate de zero absolut pentru elemente si aliaje simple.

In 1962 savantii de la Westinghouse au dezvoltat primuele fire supraconductoare, un aliaj din niobiu si titaniu(NbTi). Electromegneti de energie mare acceleratori de particule construiti din cupru-clad niobiu-titaniu au fost atunci dezvoltati in anii 1960 la laboratorul Rutheford-Appleton din marea Britanie, si au fost folositi pentru prima data ca acceleratori supraconductori la Fermilab Tevatron in Statele Unite in 1987.

Anii 1980 au fost un deceniu de descoperiri in domeniul supraconductibilitatii. In 1964 Bill Little de la Universitatea Stanford a sugerat posibilitatea supraconductorilor organici( bazati pe carbon). Primul dintre acesti supraconductori teoretici a fost sintetizat cu succes in 1980 de catre cercetatorul danez Klaus Bechgaard de la Universitatea din Copenhaga si de inca 3 membri ai echipei sale. (TMTSF)2PF6 a trebuit sa fie racit la incredibila temperatura de tranzitie de 1,2 K si supus la presiuni ridicate pentru a supraconduce. Dar, simpla sa existenta a demonstrat posibilitatea moleculelor proiectate- molecule facute sa se comporte intr-un anume fel.

Apoi, in 1986, o descoperire remarcabila a fost facut in domeniul supraconductibilitatii. Alex Muller(foto stanga) si Georg Bednorz, cercetatori la IBM Research Laboratory din Ruschlikon, Elvetia, au creat un compus ceramic casant, care manifesta proprietati supraconductoare la cea mai ridicata temperatura de pana atunci 30K.

Compusul din Lanthanum, Bariu, Cupru si Oxigen pe care Muller si Bednorz il sintetizasera, se somporta intr-un mod care nu era inca pe deplin inteles. Descoperirea primului supraconductor cupru-

19

oxigen (cuprat) le-a adus celor doi Premiul Nobel anul urmator. S-a descoperit mai tarziu ca cantitati foarte mici din acest material supraconduceau la 58K, datorita unei mici cantitati de plumb care fusese adaugata ca un standard de calibrare- fapt ce facea aceasta descoperire si mai demna de luat in seama.

In ianuarie 1987, o echipa de cercetatori de la Universitatea Alabama-Huntsville a substituit Lanthanumul cu Yttriu in molecula lui Muller si bednorz si au atins incredibila demperatura de 92K. Pentru prima data un material( astazi cunoscut sub numele de YBCO) care era supraconductor la o temperatura mai ridicata decat aceea a azotului lichid fusese descoperit.

PrezentSupraconductibilitatea in prezent

Clasa curenta ( sistemul curent) de supraconductori ceramici cu cea mai mare temperatura de tranzitie sut cupratii de mercur. Prima sinteza a unuia dintre acesti compusi a fost realizata in 1993 de Prof. Dr. Ulker Onbasli si H. R. Ott de la Zurich, Elvetia. Recordul mondial de 138 K este detinut la ora actuala de un cuprat de mercur cu Taliu, compus din Mercur, Taliu, Bariu, Calciu, Cupru si Oxigen.

Temperatura de 138K pentru acest compus a fost confirmata de Dr. Ron Goldfarb de la national Institute of Standards and technology- Colorado in Februarie 1994.

La presiuni extreme, temperatura poate fi ridicata cu aproximativ 25-30 de grade mai mult( la aproximativ 300000) atmosfere.

Prima companie care a profitat de pe urma supraconductorilor de temperatura inalta a fost Illinois Superconductor ( astazi cunoscuta ca ISCO International), fondata in 1989. Acest amalgam de interese guvernamentale, private si academice a introdus un senzor de adancime pentru echipamente medicale care era capabil sa functioneze la temperatura azotului lichid(~77K).

Desi nici o descoperire semnificativa in temperatura de tranzitie a supraconductorilor nu a fost facut in ultimii ani, alte descoperiri de o egala importanta au avut loc. In 1997 cercetatorii au descoperit ca la o temperatura foarte aproape de zero absolut, un aliaj de aur si indiu era in acelasi timp supraconductor si magnet natural.

De atunci, aproape 6 asemenea compusi au fost descoperiti. In ultimii ani s-a descoperit de asemenea primul supraconductor de temperatura inalta care NU CONTINE CUPRU(2000) si primul supraconductor ceramic in intregime din metal(2001).

20

Tot in 2001, un material care statea pe rafturile din laboratoare de decenii s-a descoperit a fi un supraconductor extraordinar de bun. Cercetatorii japonezi au masurat temepratura de tranzitie a diboridului de magneziu la 39K

In 2005, Superconductors.ORG a descoperit ca prin cresterea raporturilor de greutate a planurilor alternante din interiorul supraconductorilor ceramici poate creste semnificativ temperatura de tranzitie. Acest fapt a dus la descoperirea a peste o duzina de noi supraconductori cupru-oxigen, incluzand un SuperYBCO de performanta inalta.

ClasficareTipuri de supraconductori

Exista 30 de metale pure, care au rezistivitate zero la temperaturi foarte mici, avand proprietatea de a exclude campurile magnetice din interiorul supraconductorului. Acestia sunt Supraconductorii de tipul I. Acest tip poate fi explicat foarte bine prin teoria BCS. Au fost descoperiti primii si au nevoie de cele mai scazute temperaturi pentru a atinge starea de supraconductibilitate

Supraconductorii de tipul I mai sunt supranumiti si supraconductori "moi", printre ei aflandu-se: cromul, plumbul, mercurul, aluminiul, zincul, titanul, litiul si uraniul.

Incepand din anii 30', au fost gasite un numar de aliaje care pot realiza supraconductibilitatea. Aceste aliaje sunt cunoscute sub numele de Supraconductori de tipul II. Prin experimente s-a demonstrat ca aceastea pot avea densitati mult mai mari de curent, pastrandu-se insa in starea de supraconductor.

Acest al doilea tip de supraconductori mai este supranumit si supraconductor "tare", diferenta majora intre tipul II si tipul intai fiind tranzitia catre supraconductibilitate, care in cazul celor din urma, se face printr-o serie de stari mixte

Trenul MaglevAplicatie a supraconductorilor

Un tren cu levitaie magnetic, sau Maglev, este un tren care utilizeaz cmpuri magnetice puternice pentru a-i asigura sustentaia i a avansa. Spre deosebire de trenurile clasice, nu exist contact cu ina, ceea ce reduce forele de frecare i permite atingerea unor viteze foarte mari (anumite sisteme ajung la 550 km/h).

Deoarece nu pot fi folosite cu infrastructura existent, trenurile Maglev trebuie concepute de la 0. Termenul de maglev nu se refer numai la vehicule, ci i la interaciunea dintre acestea i calea de rulare.

21

Aceast interaciune este foarte important, fiecare component fiind proiectat n funcie de cealalt pentru a crea i controla levitaia magnetic.

Diferitele tehnologii maglev sunt mai mult sau mai puin asemntoare, n funcie de productor. Liderii mondiali n domeniu sunt companiile germane Siemens i ThyssenKrupp cu sistemul Transrapid.

Japonia i Germania sunt deosebit de active n domeniu, producnd mai multe idei. Una din aceste idei const n ridicarea trenului prin forele de respingere i de atracie generate de magnei cu aceeai polaritate, respectiv cu polariti opuse. Trenul poate fi pus n micare de un motor liniar instalat pe ine sau pe vagon.

Greutatea electromagneilor de mari dimensiuni este o problem major. Este nevoie de un cmp magnetic foarte puternic pentru a levita un tren de mari dimensiuni, de aceea se folosesc de obicei materiale supraconductoare pentru electromagnei eficieni.

Transrapid este un proiect german (Siemens) care nu i-a gsit (nc) nici o utilizare n Germania. Un proiect pe linia Berlin-Hamburg fusese aprobat n 1994 dar a fost ulterior abandonat, datorit lipsei fondurilor. Primul serviciu comercial a fost inaugurat n ianuarie 2003 n China, la Shanghai. Lungimea liniei este de 30 km i unete oraul cu aeroportul su.

Maglev este un proiect japonez (chiar dac termenul a fost extins la toate trenurile magnetice). A fost contruit o linie experimental, pe care s-a atins viteza record de 581 km/h n 2003. Obiectivul final este construcia unei linii Tokyo-Osaka, parcurs ntr-o or.

Proiectul Swissmetro utilizeaz aceleai tehnologii ca i cele anterioare, dar i tunele vidate pentru a reduce frecarea cu aerul, care este foarte mare la viteze mai mari de 500 km/h.

22

Inductrack este un sistem de levitaie magnetic complet pasiv folosind bobine nealimentate pe ine i magnei permaneni pe tren. Inductrack a fost inventat de fizicianul Richard E. Post, de la Laboratorul Naional Lawrence Livermore. Este nevoie de putere numai pentru a contracara frecarea cu aerul. Fora de levitaie crete odat cu viteza

Cap VII-Materiale supraconductoare

1.CONSIDERATII GENERALE DESPRE

SUPRACONUCTIBILIATEA MATERIALELOR CONDUCTOARE

Fenomenul supraconductibilatii materialelor si alaje metalice, studiat in 1933 de Meissner si

Ochsenfeld, a fost observat inca din 1911 de Kamerling-Onnes cu ocazia experientelor

efectuate de el asupra mercurului,conststanu-se ca in jurul temperaturii de 4K rezistivitatea

electrica a acestuia devine aproape zero.

Pentru multe metale si aliaje ale acestora, exista o anumita temperature(in domeniul

temperaturilor extreme de joase) denumita temperature critica Tc , la care rezistivitatea

electrica devina practice nula.

In cazul metalelor pure supraconductoare, temperature critica variaza intre 0,012K(pentru

wolfram) si 9,22K(pentru niobium), iar pentru aliaje supraconductoare temperature critica

ajunge la 22,3K (cazul Nb3Ge).

In tabelele 1. si 2. sunt date temperaturile critice ale unor metale si aliaje

supraconductoare.

Temperatura critica a unor metale supraconductoare

Denumirea metalelor Temperatura critica Tc [K]

1 2

Zinc(Zn)

Galiu(Ga)

Zirconiu(Zr)

Niobiu(Nb)

Molibden(Mo)

Technetiu(Te)

Ruteniu(Ru)

Cadmiu(Cd)

23

Indiu(In)

Staniu(Sn)

Lantan(La)

Tantal(Ta)

Wolfram(W)

Reniu(Re)

Osmiu(Os)

Iridiu(Ir)

Mercur(Hg)

Taliu(Tl)

Plumb(Pb)

Thoriu(Th)

Titan(Ti)

Vanadiu(V)

Paladiu(Pd)

Uraniu(U) 0.8750

1.0910

0.5460

9.2000

0.9200

7.7700

0.5100

0.5600

3.4035

3.7220

6.0000

4.4830

0.0120

1.6980

0.6550

0.1400

4.1530

2.3900

7.1930

1.3680

24

0.3900

5.3800

1.4000

0.6800

Tabel .1.

Temperatura critica a unor aliaje supraconductoare

Denumirea aliajelor Temperatura critica Tc [K]

Bi,Ba

BiPb

SiSn

BiSr

CdSn

CdSi2

Nb2Sn

V3Ga

NbTi

Nb2Al

Nb3(Al0.73Ge0.27)

Nb3Ge 5.69

8.70

3.48

5.62

3.65

1.22

18.30

14.50

8.10

18.70

20.70

22.30

Tabel .2.

Materiale supraconductoare situate in camp magnetic prezinta un fenomenal important si

anume, tendinta acestora de a expulza campul magnetic din interiorul lor.Acest fenomen

25

este cunoscut sub denumirea de effect Meissner.

Cele doua fenomene; anularea rezistivitatii electrice si expulzarea campului magnetic au

pus bazele aplicarii supraconductibilitatii in numeroase domenii tehnice si stiintifice,

Dependenta de temperature a rezistivitati electrice a unui supraconductor este

preprezentat in figura .4.

Fig4:Rezistivitatea in functie de temperatura

1-penrtu metale pure

2-pentru metale impure

Variatia rezistivitati electrice ? in functie de temperature T depinde de gradul de puritate al

materialului supraconductor.Astfel, pentru materialele supraconductoare pure, anularea

rezistivitati la temperature critica Tc se face brusc iar prntru cele impure acesta variatie este

lenta si scade pana la rezistivitaea reziduala , care este cu atat mai mica cu cat materialul

respective este mai pur.

Dupa modelul de manifestare al efectului Meissner, materialele supraconductoare sunt de

doua tipuri:

-supraconductoare de tip I sau moi;

-supraconductoare de tip II sau dure.

Supraconductoare de tip I sunt metale pure;acestea sunt caracterizate printr-o anumita

intensitate critica a campului magnetic Hc la care, in conditii adecvate de temperature,

campul magnetic din interiorul lor dispare brusc, devenind diamagnetice.

Supraconductoarele de tip II sunt aliaj metalice;acestora la corespund doua intensitati

critice,Hcl Hco , ale campului magnetic,potrivit carora ele devin diamagnetice.

Referitor la comporatrea supracoductoarelor in campul magnetic, se remarca faptul ca, o

data cu cresterea intensitstii campului magnetic, se ajunge la o valoare critica Hc a acestuia,

care depinde de temperatura, si la care starea de supraconductibilitate dispare.Dependenta

intensitatii campului magnetic critic Hc de temperatura este data de relatia:

Hc=Hco[1-(T/Tc) ],

in care Hco reprezinta intensitatea campului magnetic critic la temperature T=0K

Spuraconuctoarele e tip I au aplicatii practice foarte reduse deoarece densitatile de curent

ce se obtin la aceste supraconducoare de tip II pot fi foarte mari,motiv pentru care acestea

au o larga utilizare.Folosite in campuri magnetice alternative, aceste supraconductoare au

26

pierderi imortante prin histerezis,iar eliminarea acestora in conditii de functionare necesita (in

heliu lichid)puteri de

700-3000 de ori mai mari.Din acest motiv,supraconductoarele de tip II se utilizeaza cu

eficienta numai in campurile magnetice constante .In figura .5. a si b este reprezentat modul

de manifestare al efectului Meissner la supraconductoarele de tip I si II. Dintre cele doua

grafice se poate observa ca pentru instalati ale campului magnetic mai mici decat Hc (pentru

suprconductoare de tip I),respectin Hcl (pentru supraconductoare de tip II). Inductia

magnetica scade la zero si practice liniile de camp ocolesc materialele supraconductoare.

Efectul Meissner a-pentru spuraconductore de tip I;

b-pentru supraconductoare de tip II.

2.ALPICATII ALE SUPRACONDUCTIBILITATII

Restrictiile ce apar in aplicattile practice ale supraconductibilitatii sunt legate de

temperaturile foarte joase,necesare pentru a obtine trecerea in stare de

supraconductibilitate, temperature care se obtin cu dificultate.

Se spera ca cercetarile in curs si cele viitoare sa duca la descoperirea unor materiale care

sa reprezinte supraconductibilitate la temperature apropiate de temperature camerei,ceea c

ear contribui la realizari deosebite ale tehnicii si criogeniei actuale.

Utilizarea supraconductoarelor in electrotehnica si electrogenetica urmareste reducerea

pierderilor de energie electrica.

Reducerea rezistivitatii electrice,implicit a rezistentei electrice permite utilizarea densitatilor

mari de curent.

Principalele utilizari ale materialelor supraconductoare sunt:

-obtinerea magnetilor care au campuri magnetice de mare intensitate si inductii magnetice

foarte mari;

-realizarea retelelor electrice in cablu pentru tensiuni ridicate (750Kv,1500Kv,3000Kv),cu

pierderi electrice aproape zero;

-constructia masinilor si transformatoarelor de puteri mari cu gabarite reduse;

-realizarea de instalatii si aparate, componente logice cu performante deosebite.

Prin urmare,supraconductoarele pot fi utilizate,cu rezulatate remarcabile, in

electrotehnica,energetica,tehnica de calcul si telecomunicatii.

27

Bibliografie

-Materiale electrotehnice si electronice- Ileana Fetita-Editura Didactica si Pedagogica

Bucuresti 1993;

-www.uem.ro;

-www.codel.com.

Oxiarsenida, supraconductorul mult cutat?

Suprafata oxiarsenidei vazuta la miscroscopSursa:physorg.com

Lansat n luna februarie, un nou material face furori n lumea fizicienilor i chimitilor: oxiarsenida. Supraconductivitatea acestuia rezist pn la temperaturi de 47 Kelvin, jumtate din recordul mondial. n plus, oxiarsenida rmne supraconductoare pn la cmpuri magnetice de 45 de Tesla, dublnd deja recordul mondial.

Categorie: Fizica Autor: Cristian Presur

Sunt poate puine inveniile tehnologice care ar putea avea un impact major n societate. Printre acestea ns trebuie enumerai supraconductorii la temperatura mediului ambiant. Cu ajutorul lor nu numai c am putea transporta curentul electric fr pierderi, dar putem construi puternici magnei permaneni cu care s levitm vehicule n micare. n plus, am putea crete viteza computerelor de mii de ori, sau putem stoca energia fr pierderi pe un termen nelimitat.

28

Problem major este c, pn astzi, nimeni n-a reuit s construiasc un material supraconductor la temperatura mediului ambient. Primii supraconductori au fost metalele obinuite, rcite la temperaturi de civa Kelvin (-270 grade Celsius), ceea ce le face nepotrivite pentru orice aplicaie practic. Acum 20 de ani, speran a fost nviat datorit descoperirii aa-numiilor supraconductori de temperatur nalt. S nu fim indui n eroare de nume, acetia sunt supraconductori ce rezista numai pn la temperaturi de 100 Kelvin (-170 grade Celsius). La temperaturi mai mari devin nite simpli izolatori... Cu tot entuziasmul ce a fost creat acum 20 de ani, nimeni nu a reuit ns s depeasc limita de 100 grade Kelvin. Cei mai dintre fizicieni i chimiti au prsit domeniul acesta de cercetare care, ce e drept, a dat doi laureai ai premiului Nobel.

Iat ns c, de dou luni, speranele au renviat. n februarie 2008, un grup de cercettori japonezi au reuit s obin un alt tip de material, denumit oxiarsenid (de la oxigen si arsen), ce este un supraconductor le temperaturi mai mici de 26 Kelvin. Nu pare mult, ns fizicienii au intuit imediat c noul material are potenial uria. Aceasta pentru c structura oxiarsenidei difer foarte mult de cea a supraconductorilor de nalt temperatura descoperii acum 20 de ani (care sunt nite structuri planare de atomi de cupru i oxigen). n structura oxiarsenidei, cercettorii japonezi au inclus atomi de fier i un ingredient magic: atomi de arsen!

Prezena atomilor de fier a luat prin surpriza comunitatea tiinific. Aceasta pentru c fierul este feromagnetic, ori supraconductorii de cupru i oxigen nu se mpac bine cu cmpul magnetic. Cu ct cmpul magnetic este mai mare, cu att scade temperatura la care ei rmn supraconductori. Eventual, la un cmp magnetic suficient, starea supraconductoare este distrus. Acesta este de fapt i un motiv pentru care actualii magnei formai din materiale supraconductoare (desigur, rcite la temperaturi joase) au o limit superioar a cmpului magnetic, n jur de 25 de Kelvin. Nou structur descoperit de cercettorii japonezi i pstreaz ns starea supraconductoare pn la 45 de Tesla! Practic, deja putem construi magnei de dou ori mai puternici dect cei construii pn acum!

Povestea ns nu se oprete aici. Astfel, nou structur a oxiarsenidei permite o combinaie mult mai mare de dopani. Dopanii sunt atomi adiionali, de diverse elemente, care pot fi adugate n nou structur, fr s-i modifice substanial geometria. Avantajul major (dovedit n cazul supraconductorilor de cupru i oxigen) este c putem controla relativ uor numrul de electroni care joac un rol important n starea supraconductoare, i astfel putem crete temperatura la care acetia rmn supraconductori. O libertate mai mare de alegere a dopanilor nseamn efectiv o ans mai mare de a construi un supraconductor la temperatura mediului ambiant.

Iat c acum cteva zile, un alt grup de la Universitatea din Tennessee (Statele Unite) a reuit deja s creasc temperatura la care oxiarsenida rmne supraconductoare, ne anun portalul physorg. La un dopaj potrivit, oxiarsenida rmne supraconductoare pn la 47 de Kelvin, practic jumtate de valoarea recordului mondial. Este de remarcat cum, tiind importanta descoperirii, cercettorii americani au reuit s fac msurtori n cteva zile, sacrificnd cteva nopi, pentru a public urgent noile rezultate.

Poate deveni acest nou material, oxiarsenida, mult-cutatul supraconductor la temperatura mediului ambiant? Nu tim nc, dar, dac este aa, va schimba n mod cert tehnologia din jurul nostru, i asta n numai civa ani... [www.stiinta.info]

Cum funcioneaz levitaia magnetic Cum funcioneaz lucrurile?

29

Vineri, 15 Mai 2009 15:05

Supraconductorii sunt conductori electrici a cror rezisten devine practic nul la anumite temperaturi. Aceast proprietate permite dezvoltarea unor tehnologii ca, de pild, trenurile propulsate prin levitaie magnetic. Citii n acest articol (nsoit de un material video) cum funcioneaz supraconductorii.

SUPRACONDUCTORII

tiai c anumite materiale ceramice i cteva metale, cnd sunt aduse la temperaturi cuprinse ntre zero absolut i temperatura de lichefiere a azotului (77 K) i pierd complet rezistivitatea electric? Temperatura la care rezistena electric devine nul se numete temperatur critic (Tc) i variaz de la un material la altul. Starea de supraconductibilitate este atins de obicei prin rcirea diverselor materiale cu heliu sau azot lichid. Iat cteva temperaturi critice: din categoria metalelor - Tc-zinc =0.88 K, Tc-aluminiu =1.19 K, Tc-mercur =4.15 K, iar din categoria materialelor ceramice: YBa2Cu3O7 (YBCO) are Tc=91K, iar n cazul compusului TlBaCaCuO - Tc=125K.

Supraconductorii reprezint un tip de conductori electrici a cror rezisten devine practic nul la temperaturi mai mici dect valori specifice materialelor din care sunt construii. Aceast proprietate permite dezvoltarea unor tehnologii precum: vehicule propulsate prin levitaie magnetic i care funcioneaz folosind supraconductibilitatea la temperaturi ceva mai ridicate, vehicule silenioase, care se deplaseaz fr frecare i care sunt foarte uor de accelerat.

n continuarea vor fi introduse principii ce descriu funcionarea supraconductorilor: efectul Meissner, levitaia i suspensia magnetice i efectul de captare n flux magnetic1.

n cadrul acestei demonstraii, obiectul negru din interiorul containerului de polistiren (vezi filmul de deasupra) este un fragment de YBCO (oxid de cupru, ytriu i bariu - un material care capt proprieti de supraconductor la temperaturi ceva mai ridicate). Lng supraconductor este o lingur de fier. La temperatura camerei supraconductorii se comport asemenea pietrelor, fr a interaciona deloc cu lingura. Obiectul cilindric cu nveli metalic este un magnet foarte puternic. Cnd lingura de fier este plasat n apropierea puternicului magnet, acesta este atras rapid spre lingur.

Lichidul fumegnd care este turnat pe supraconductor este azot lichid. Temperatura acestuia este de minus 196 grade Celsius sau 77 de grade Kelvin. Lichidul din preajma supraconductorului trece printr-un proces intens de fierbere datorit cldurii absorbite de azotul lichid din materialul supraconductor. Azotul lichid devine gaz, iar temperatura supraconductorului scade gradat. Cnd procesul de fierbere se oprete, nseamn c supraconductorul i azotul lichid sunt n echilibru termic. Este un indiciu al faptului c temperatura a sczut sub pragul critic de supraconductibilitate, adic 91 de grade Kelvin n cazul compusului de YBCO, materialul avnd n acest moment proprieti supraconductive.

30

EFECTUL MEISSNER

Pe parcursul procesului de rcire, supraconductorul nu a fost plasat n imediata vecintate a unui magnet. Acest tip de rcire poart numele de rcire nestimulat, ceea ce nseamn c materialul supraconductor este rcit n absena vreunui cmp magnetic exterior. Dup ce materialul capt proprieti supraconductive, pe msur ce un magnet se apropie de el, se manifest un fenomen ciudat. Supraconductorul este respins. Acest fenomen poart numele de efect Meissner.

Levitaie magnetic - efect Meissner

EFECTUL PRINDERII N FLUXUL MAGNETIC I LEVITAIA MAGNETIC

n continuare fixm supraconductorul dedesubtul magnetului, prin apsarea magnetului spre acesta. Cmpul magnetic generate de magnet va traversa supraconductorul dnd natere unui aa-numit efect de prindere n flux magnetic.

n acest moment supraconductorul i magnetul se resping i se atrag n acelai timp. Aceast combinaie de fore de respingere i de atracie permite magnetului s pluteasc n mod stabil deasupra supraconductorului. Acest fenomen poart numele de levitaie magnetic. Dac magnetul este uor rotit, acesta se va rsuci deasupra supraconductorului, aa cum se poate vedea n clip.

SUSPENSIA MAGNETIC

Cnd ridicm magnetul, supraconductorul va prsi i el containerul, rmnnd suspendat - stabil - dedesubtul magnetului. Acest fenomen poart numele de suspensie magnetic. Att levitaia, ct i suspensia magnetice sunt generate de efectul de prindere n flux magnetic.

Atunci cnd separm n mod forat magnetul de supraconductor, pentru a apropia ulterior, din nou, foarte lent magnetul, supraconductorul va fi atras de ctre magnet i adus foarte aproape de acesta. Totui, nu este acelai comportament ca n cazul a doi magnei ai cror poli opui se atrag ducnd la lipirea acestora. Supraconductorul i magnetul se atrag, dar se i resping reciproc, meninnd o distan constant unul fa de cellalt. Dac ntoarcem magnetul cu cellalt pol spre supraconductor i l apropiem de acesta, cel din urm va fi mpins la distan de magnet. Mai mult, supraconductorul va avea tendina de a se rsturna pentru a se realinia, putnd fi astfel din nou atras de ctre magnet.

n rezumat, n urma diverselor procedee de magnetizare, supraconductorul se va comporta n mod diferit, punnd n eviden diverse efecte i fenomene: efectul Meissner, levitaia i suspensia magnetice, dar i efectul de prindere n flux magnetic.

31

Plecnd de la aceste caracteristici ale supraconductorilor, multe tehnologii moderne sunt n faza de proiect, att pentru aplicaii pe scar larg, aa cum este cazul trenului Maglev destinat transportului n comun, dar i pentru aplicaii la scar mai mic, aa cum este cazul n industria fabricrii semiconductorilor. Tehnologiile supraconductorilor vor continua s evolueze i vor deveni n mod cert calea spre un viitor mai eficient.

Maglev - tren cu levitaie magnetic

32

Trenurile MaglevTurbina MaglevIstoricPrezentClasficareTrenul MaglevOxiarsenida, supraconductorul mult cutat?Suprafata oxiarsenidei vazuta la miscroscopSursa:physorg.comLansat n luna februarie, un nou material face furori n lumea fizicienilor i chimitilor: oxiarsenida. Supraconductivitatea acestuia rezist pn la temperaturi de 47 Kelvin, jumtate din recordul mondial. n plus, oxiarsenida rmne supraconductoare pn la cmpuri magnetice de 45 de Tesla, dublnd deja recordul mondial.