|
|||||||||||||||
Superstrøm - Meissner-effekt og Cooper-par
Evig strøm
En superstrøm vil blive ved med at løbe helt af sig selv i al evighed, når den først er sat i gang! Dette er helt modsat normale strømme i almindelige ledere: Her skal strømmen hele tiden drives af sted af en spændingskilde, som tilfører de strømmende ladninger energi, der opvejer tabet til lederen. Hvis man slukker for spændingskilden, går strømmen i en almindelig leder omgående i stå!
Frastødning af magnetfelter
Superledere "frastøder" ydre magnetfelter. På figur 1 er en stangmagnet anbragt over en superleder. I superlederens overflade induceres superstrømme, som skaber et modsat rettet magnetfelt, der er lige så stort som feltet fra den ydre magnet. Således vil det samlede magnetfelt overalt inde i superlederen blive nul! Dette er den såkaldte Meissner-effekt. Da magnetfeltlinier altid er lukkede kurver, vil der uden for superlederen være feltlinier, der "løber tilbage". De forløber næsten som om de kom fra en magnet helt magen til den ydre magnet, men placeret i dens "spejl-billede" under superlederens overflade. Disse to magneter (den rigtige og "spejlbilledet") vil frastøde hinanden, da nordpol ligger over nordpol og sydpol over sydpol. Hvis man slipper magneten vil den svæve over superlederen!
Figur 1. Meissner-effekt.
Kritisk temperatur Tc
For at gøre et materiale superledende skal man køle det ned under en vis temperatur. Det viser sig, at resistansen bliver mindre og mindre ved lavere temperatur for så lige pludselig ved en bestemt temperatur at droppe til 0 W! Materialet siges at være gået over i den superledende fase.
Figur 2. Den temperatur, hvor et materiale bliver superledende, kaldes den kritiske temperatur Tc. For temperaturer under den kritiske temperatur er materialet superledende. Grafen viser Kamerlingh Onnes målinger af resistansen (i W) i kviksølv som funktion af absolut temperatur (i K).
Faseovergang
Overgangen fra den normalt ledende fase til den superledende fase kan man sammenligne med vands overgang fra væskefase (flydende vand) til fast stof (is). Denne sker som bekendt også pludseligt ved en ganske bestemt temperatur, nemlig 0 ºC. Forskellige materialer har forskellige værdier af Tc, ligesom forskellige materialer har forskellige smeltepunkter. Rene metaller har kritiske temperaturer på nogle få K. Det grundstof, der har den højeste kritiske temperatur er niobium (Nb) med en kritisk temperatur på 9,3 K = -263,8 ºC. Andre forhold, så som størrelsen af det magnetfelt, der omgiver superlederen, påvirker også Tc - jo større magnetfelt, desto mindre Tc.
Superledende materialer
Lav-Tc materialer
De første superledere man opdagede var rene metaller. Superledningen for disse stoffer sætter ind ved temperaturer mindre end 20 K (-253 ºC). Stort set alle de umagnetiske metaller kan blive superledende ved passende temperatur og tryk. Desuden er legeringer (blandinger) af disse også superledere. Fx er en legering af Nb og Ti en superleder med Tc = 10 K. Denne legering kaldes Nb:Ti (niobium-titan). Den er meget brugt som leder i stærke elektromagneter, fx i hospitalernes MR-scannere.
Høj-Tc materialer
Nogle keramiske materialer (visse metaloxider), som er ret dårlige ledere ved stuetemperatur, er superledere med en Tc, der er meget højere end metal-superledernes Tc. Rekorden er i dag 133 K = -140 ºC for materialet HgBa2Ca2Cu3O8.
Hvordan foregår superledning?
Resistansen i en leder skyldes, at elektronerne ved sammenstød overfører energi til de positive ioner i materialet. Resistansen falder med aftagende temperatur mod en værdi forskellig fra nul, inden man når det absolutte nulpunkt, se figur 2. Denne restmodstand svarer til en blivende uorden i materialet, som skyldes de "fremmede" atomer og fejl i metalgitteret.
Når metallet bliver superledende danner elektronerne par, såkaldte Cooper-par, som holdes sammen af svingninger i atomgitteret. Cooper-parrene overfører ikke energi til de positive ioner og kan derfor sive helt frit gennem materialet.
 |
Figur 3. En vigtig egenskab ved keramiske superledere er tilstedeværelsen af planer, hvor oxygen og kobber er kemisk bundet til hinanden. Kuglemodellen viser YBa2Cu3O7. |
Grænser for superstrømmen
Maksimal temperatur
Når en krystal varmes op vil dette i sig selv give anledning til gittersvingninger. Hvis disse bliver for kraftige, vil de helt "overdøve" de gittersvingninger, der bliver skabt af elektronernes bevægelse. Derfor holder superledningen op ved en tilstrækkelig høj temperatur.
Maksimal strøm
Da resistansen i en superleder er nul, kan der løbe en strøm på flere tusinde ampere per mm2 ledning. Der er dog en øvre grænse, for når strømstyrken bliver for høj, brydes Cooper-parrene og superledningen ophører. Denne såkaldte kritiske strømtæthed, Jc afhænger af temperaturen, så jo koldere superlederen holdes, desto større strømstyrke kan den klare.
Maksimalt magnetfelt
Der er også en grænse for, hvor store magnetfelter, der kan være udenom en superleder, uden at superledningen bryder sammen. Store ydre magnetfelter kræver store skærmstrømme i superlederen, og hvis disse skærmstrømme når op på den kritiske strømtæthed Jc, bryder superlederen sammen. Den værdi af magnetfeltet, hvor dette sker, kaldes det kritiske magnetfelt Bc.
Alt i alt bestemmes superledningen af en kombination af temperatur, strømstyrke og magnetfelt.
