UNIVERSITATEA DIN PITETIFACULTATEA DE TIINEDEPARTAMENTUL DE INGINERIA MEDIULUI i TIINE INGINERETI APLICATE

ESEU TIINIFICcu titlul:

SUPRACONDUCTORI

elaborat de ctre: Bogdan CIOBANU

n vederea evalurii activitilor de documentare desfurate n cadrul disciplineiFIZICA MATERIALELOR

Coordonator: Conf. Univ. Dr. Dumitru CHIRLEAN

Data susinerii publice:21.01.2015

SUPRACONDUCTORI

SUPERCONDUCTORS

Autori / Authors: Bogdan CIOBANU

Afiliere / Affiliation: Universitatea din Piteti, Facultatea de tiine, DIMSIA, Inginerie Fizic, an 3

Rezumat: Prin acest eseu tiinific am ncercat s abordez problematica supraconducturilor. Eseul a fost structurat n mai multe capitole, n care am ncercat s fac o prezentare general aupra supraconductorilor, precum i a principalelor efecte prin care acest nou tip de materiale se deosebesc de cele obinuite.n capitolul al doilea al eseului tiinific am urmrit prezentarea supraconductorilor cuprai ce au o temperatur critica foarte mare in comparatie cu ceilalti supraconductori. Am considerat aceasta abordare necesara deoarece reprezint un pas important in obinerea supraconductorilor la temperaturi obinuite, pentru a putea fi foloii la scar industrial.n capitolul trei s-a prezentat rezultatele obinute in urma experimentelor facute la Helmholtz-Zentrum Berlin.Lucrarea se termin prezentnd avantajele rezultatele obinute datorit folosirii acestor noi tipuri de supraconductori.

Abstract: This scientific essay tries to approach the issue of superconductors. The essay was structured in several chapters, in which I tried to do an overview on superaconductors, and as well on the main effects that this new type of materials are different from te ordinary ones.In the second chapter of the essay I followed to present the superconductors that have a very high critical temperature compared to other superconductors. I found this approach necessary because it represent an important step in obtaining superconductors at ordinary temperatures, that will be used on an industrial scale.In the third chapter are presented the results obtained from the experiments made at Helmholtz-Zentrum Berlin.The paper concludes with the advantages of the results obtained due to the use of these new types of superconductors.

Cuvinte cheie: Supraconductori, compui ceramice, conducie electric, distribuie de sarcin, cmp magnetic, oscilaii cuantice, temperatur critic.Key words: Superconductors, ceramical compound, electrical conduction, distribution charge, magnetic field, quantum oscillations, critical temperature.

1. Fundamentare teoretic Fenomenul de supraconductibilitate a fost descoperit n 1911 de fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes. Acesta a observat faptul c la temperatura T = 4,2K, mercurul trece ntr-o stare total diferit fa de cele cunoscute la data respectiv i anume dispariia rezistivitii electrice (n urma msuratorilor efectuate rezistivitatea electric 10-27m).

Fig. 1 Dependena rezistivitii electrice a Hg de temperatur

Pentru metalele bune conductoare de electricitate (Au, Ag, Cu), n condiii de temperatur obinuite, nu s-a pus n eviden fenomenul de supraconductibilitate. Fenomenul de supraconductibilitate depinde de temperatur i presiune.

Supraconductorii se clasific n:a) Supraconductori de spea Ib) Supraconductori de spea a II-a

a) Supraconductori de spea ISunt numii i supraconductori uori, au fost primii supraconductori descoperii i necesit cele mai sczute temperaturi (Tc) pentru a ajunge n stare supraconductoare. Acetia sunt n general metale care prezint o conductivitate important la temperatura camerei. Tranziia din starea normal n starea supraconductoare are loc brusc, la temperatura critic Tc, specific fiecrui metal (n general Tc < 10 K).

b) Supraconductori de spea a II-aSunt aliaje metalice i compui ceramici dar mai sunt i cateva elemente pure (V, Tc, Nb). n general (compuii ceramici) au temperaturi critice Tc mult mai mari dect supraconductorii de spea I. Tranziia din starea normal n starea supraconductoare nu se realizeaza brusc (la o anumit Tc) ci gradual, trecnd printr-o faz mixt; ntre Tc1 si Tc2, sau ntre Hc1 si Hc2, apar fluxoizi (vortexuri) n care materialul este n stare normal.

Efecte asociate supraconductibilitii:

1. Efectul cmpurilor magnetice intense

Fig. 2 Dependenta intensittii cmpului magnetic de temperatur

2. Efectul MeissnerExpulzarea cmpului magnetic din interiorul unui supraconductor:

Fig. 3 - Conductor normal Fig. 4 - Supraconductor

3. Efectul frecventelor inalteAnularea supraconductibilitii la frecvente foarte mari (1013 - 1014 Hz):T < Tc si H < Hc T < Tc si H < Hcf < 1013 - 1014 Hz f > 1013 - 1014 Hz Supraconductor Conductor normal 4. Efectul izotopicTemperatura critic Tc variaz cu masa izotopica a materialului:Exemplu: HgM = 199,5M = 203,4

Tc = 4,185 KTc = 4,146 K, , unde 0,5 5. Efectul Josephson este un efect fizic care se manifest prin apariia unui curent electric, prin efectul tunel, ntre doi supraconductori separai.

,

unde i sunt tensiunea i curentul unei jonciuni Josephson, este diferena de faz dintre funciile de und ale celori doi supraconductori ce formeaz jonciunea, i este o constant, curentul critic al jonciunii. Curentul critic este un parametru experimental important al dispozitivului, care poate varia att cu temperatura ct i cu cmpul magnetic aplicat. Constanta fizic, este o cuant de flux magnetic, iar inversul ei este constanta lui Josephson.

2. Supraconductori cupraiDescoperirea supraconductorilor cuprai, n 1986 a condus la multe cercetri n ntreaga lume. Aceste materiale nc dein recordul pentru cea mai ridicat temperatura critic (TC) la care poate fi obinut un supraconductor (-140oC). Din acest motiv sunt numii supraconductori de mare Tc, n ciuda faptului c Tc nseamn doar -140 oC. Dei poate prea destul de puin, de fapt este foarte mare n comparaie cu temperaturile critice ale supraconductorilor, clasici descoperii la nceputul secolului al XX-lea, unde rcirea se aproapie de temperatura de zero absolut. Aceast temperatur critic ne da sperana de a obine n viitor supraconductori la temeperatura camerei.

Fig. 5 Structura cristalin pentr HgBa2CuO4+ i YBa2Cu3O6+

Supraconductivitatea este bine cunoscut pentru supraconductorii clasici. Cnd nu sunt n stare de supraconductibilitate, supraconductorii clasici se compart ca nite metale obinuite. Supraconductibiltatea cuprailor se datoreaz perechilor de electroni. Pentru cazurile obinuite, cand aceti supraconductori ceramici nu sunt n starea de supraconductibilitate, comportamentul lor este dificil de descris.

Fig. 6 Diagrama fazelor ce demonstreaz compelxitateafazelor n jurul strii de supraconductibilitate

Atomii de cupru i oxigen formeaz planeCupraii sunt o multitudine de materiale cu diferite abreviatii: LBCO, YBCO, LSCO, BSCO, etc., cu compoziii chimice ca: La2-xBaxCuO4, YBa2Cu3O6+, La2-xSrxCuO4, Bi2Sr2-xLaxCuO6+. Toate aceste materiale au o caracteristic comun: atomii de Cu i O sunt dispui n plane, formnd obiecte aproape bi-dimensionale. Analogia cu transportul de sarcin electric ntre planele de Cu i O nu explic comportamentul metallic. Mai mult, s-a constatat o multitudine de faze neobinuite n jurul starii de supraconductivitate i cum are loc tranziia n starea de supraconductibilitate.

Distribuia de sarcin n cupraiUn fenomen observant la cuprai este aa numit distribuie de sarcin. Aici, deplasarea purttorilor de sarcin din compuii ceramici ce relizeaz conduia ntr-o prim etap, au tendina de a se aranja dup nite modele liniare n planele de cupru i oxigen. Fiind distribuite ntr-o distribuie ordonat transportul de sarcin este mai mic i impiedic trecerea n starea de supraconductibilitate distribuia de sarcin este antagonist superconductivitii. Aceasta este desigur este foarte important pentru depirea limitelor de supraconductibilitate i nelegerea fenomenului n sine. Distribuia de sarcin a fost observat n cuprai n anul 1995. A durat ceva timp pn cnd a fost puse n evidena acest fenomene i la alte clase de cuprai, iar n ultimii ani s-a constatat prezena unui fenomen general cu observaii importante a distribuiei sarcinii electrice n YBCO (2012). Toate aceste experimente sugereaz ideea c acest fenomen este comun cu transportul de sarcin electric n planele de Cu i O din supraconductorii ceramici.

3. Date experimentale, rezultate practice

Modelul universal dintre efectele supraconductorilorCercettorii din Minnesota i o echipa internationala de savani au identificat iniial distribuia de sarcin n HgBa2CuO4, enunnd urmtorarea conclzuie: HgBa2CuO4 este un material pur cu o structur cristalin destul de simpl ce prezint starea de supraconductibilitate la temperaturi mai mari de -175oC. Un alt rezultat important al studiului este descoperirea c distribuia de sarcine este strns legat de o alt proprietate a materialului. Cnd se aplic un cmp magnetic foarte mare, materialul iese din stare de supraconductibilitate i rezistena electric crete sau scade o dat cu schimbarea cmpului magnetic, fenomenul cunoscut sub denumire de oscilaii cuantice. Gsirea unei conexiuni universale ntre perioada oscilaiilor cuantice i distribuia spaial periodic a sarcinii electrice este scopul studiului.Combinarea unor astfel de observaii aparent distincte de astfel pentru astfel de materiale complex este de cea mai mare importan, deoarece explic importana unui efect.Difractometrul de radiatii X si Ultraviolete (XUV)O parte important a cercetrii a fost efectuat cu difractometrul XUV la Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), folosind o metoda extrem de sensibil la difracia cu radiatii X slabe. Aceast metod a fost deja folosit cu succes pentru a detecta dsitribuia slab a sarcinii ntr-un numr de materiale n trecut, n strns colaborare cu oameni de tiin de la HZB, care opereaz instrumentul la Beamline UE46_PGM1 la Bessy II. Rezultatele au fost publicate n Nature Communications. Dup decenii de cercetare, stadiile neobinuite ale materiei n cupraii i raportarea lor la fenomenul de supraconductibilitate la TC sunt nc neclare oamenii de tiin.

Fig. 7 Difractometru Beamline UE46_PGM1

4. Concluzii, interpretriSupraconductorii cuprai constituie o interesant provocare pentru a descoperi noi materiale supraconductoare la temperatura camerei. Descoperirea acestor materiale este de un real folos pentru electrotehnic i electronic. Supraconductorii elimin pierderile de energie electric prin efect Joule, ceea ce ar nsemna c cheltuielile legate de transportul energiei electrice s-ar reduce foarte mult (renunare la transformatoare, ridictoare de tensiune, reelele electrice ar fi mai ieftine etc.). De asemenea dispozitivele electrice nu s-ar mai nclzi, prin urmare nu ar mai fi nevoie de sisteme de rcire.n electronic utilizarea materialelelor supraconductoare conduce la reducerea consumului de energie, reducerea volumului n circuitul electronic datorat eliminrii dispozitivelor de rcire (radioatoare etc.). Folosirea supraconductorilor ar conduce la generaii noi de calculatoare care ar fi mult mai puternice i ar avea dimensiuni mult mai mici dect cele actuale. Un alt domeniu important de aplicabilitate al supraconductorilor este n domeniul medical, mai precis biomagnetismul. Medicii au nevoie de un mijloc non-invaziv de a determina ce se ntampl n corpul uman. Prin aplicarea unui cmp magnetic unui cmp magnetic foarte puternic derivat din supraconductori, corpului uman, atomii de hidrogen care exist n ap din organismul uman i moleculele de grasime sunt forate s accepte energie de la cmpul magnetic. Mai apoi ele elibereaz aceast energie sub forma unei frecvene care poate fi detectat i afiat grafic de un computer. IRM (Imagistica cu rezonan megnetic) a fost de fapt descoperit la mijlocul anilor 1940, dar primul exemen IRM pe un corm uman nu a fost efectuat pn la 3 iulie 1977. Si, a durat aproximativ cinci ore pentru a produce o singur imagine! Astazi, computerele mult mai rapide proceseaz datele ntr-un timp mult mai scurt.

5. Referine bibliografice, resurseArticole:http://www.superconductors.org/INdex.htmhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Supraconductibilitatehttp://www.sciencedaily.com/releases/2014/12/141222131539.htmhttp://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14113;sprache=en;typoid=3228

Pag. 8 din 8