Supravodiče a supravodivé materiály jsou kovy, keramika, organické materiály nebo silně dopované polovodiče, které vedou elektrický proud bez odporu.
Supravodivé materiály mohou přenášet elektrony bez odporu, a proto neuvolňují žádné teplo, zvuk ani jiné formy energie. Supravodivost nastává při kritické teplotě určitého materiálu (Tc). S klesající teplotou se odpor supravodivého materiálu postupně snižuje, až dosáhne kritické teploty. V tomto bodě odpor klesá, často až na nulu, jak ukazuje graf vpravo.
V současné době musí většina materiálů dosáhnout extrémně nízkého energetického stavu prostřednictvím nízkých teplot a/nebo vysokých tlaků, aby bylo dosaženo supravodivosti. Výzkum supravodičů, které jsou účinné při vyšších teplotách, je sice ve vývoji, ale supravodivost je obvykle možná pouze pomocí drahých a neúčinných chladicích procesů.
Supravodiče vykazují i jiné jedinečné vlastnosti než schopnost dokonale vést proud. Mnohé z nich například při přechodu do supravodivého stavu vylučují magnetické pole. To je způsobeno Meissnerovým efektem, díky němuž supravodivé materiály vytvářejí elektrické proudy v blízkosti svého povrchu při Tc, a ruší tak pole uvnitř samotného materiálu. Tento efekt demonstruje stacionární magnet na supravodiči: při ochlazování supravodiče přes jeho kritickou teplotu způsobuje vytlačování magnetického toku z vodiče levitaci magnetu nad materiálem.
Majsnerův efekt: magnetický tok supravodiče nad (vlevo) a pod kritickou teplotou.
Principy
Principy supravodiče lze vysvětlit zkoumáním různých vzorců. Za prvé, nedostatek odporu v supravodiči, kterým protéká proud, lze znázornit Ohmovým zákonem, R=V/I, kde R je odpor, V je napětí a I je proud. Protože supravodivé materiály vedou proud bez přiloženého napětí, R=0. Supravodivost také nezahrnuje ztrátu výkonu, protože výkon je definován jako P=I2R; protože R je v supravodivém materiálu nulové, ztráta výkonu je nulová.
Tyto vzorce spolu s dalšími principy supravodivosti jsou vysvětleny v následujícím výukovém videu.
Video credit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Typy
Supravodiče se dělí na materiály typu I a typu II.
Materiály typu I vykazují alespoň určitou vodivost při teplotě okolí a patří mezi ně především čisté kovy a metaloidy. Mají nízké kritické teploty, obvykle mezi 0 a 10 K (-273 °C, resp. -263 °C). Jak bylo uvedeno výše, u tohoto typu dochází při kritické teplotě k náhlému poklesu odporu a také k úplnému vytěsnění magnetických polí (dokonale diamagnetické).
Kovy typu I dosahují supravodivosti zpomalením molekulární aktivity prostřednictvím nízkých teplot. Podle BCS teorie se tím vytvoří prostředí příznivé pro Cooperovo párování, takže elektronové páry jsou schopny překonat molekulární překážky, což vede k volnému toku elektronů bez přiloženého napětí.
Měď, stříbro a zlato jsou tři nejlepší kovové vodiče, ale nejsou supravodivé. Je to způsobeno jejich mřížkovou strukturou jednotkových buněk s centrovanou krychlí (FCC), které jsou tak těsně zabalené, že nízkoteplotní mřížkové vibrace nezbytné pro supravodivost nedokážou přimět volné elektrony k vytvoření Cooperových párů. Některé FCC kovy, například olovo, jsou sice schopny supravodivosti, ale je to způsobeno vnějšími faktory, například nízkým modulem pružnosti olova.
Většina materiálů typu II jsou kovové sloučeniny nebo slitiny, ačkoli do této skupiny patří také elementární vanad, technecium a niob. Jsou schopny supravodivosti při mnohem vyšších kritických teplotách. Například testování Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ v roce 2015 přineslo Tc 400 K (+129 °C), což je více než 100 °C nad teplotou okolí, ačkoli běžnější materiály typu II mají kritické teploty v rozmezí 10-130 K. Od roku 2015 neexistuje vědecká shoda ohledně důvodu těchto vyšších kritických teplot.
Materiály typu II také nabývají smíšeného stavu, který kontrastuje s klesajícím odporem při Tc u materiálů typu I, když se blíží jejich kritické teplotě. Smíšené stavy jsou způsobeny tím, že supravodiče typu II nikdy zcela nevyženou magnetické pole, takže na materiálu lze pozorovat mikroskopické supravodivé „proužky“.
Další klasifikace
Klasifikace podle výše uvedených typů se teoreticky provádí podle chování magnetického pole. Materiály typu I mají jednu kritickou teplotu pole, nad níž supravodivost zcela zaniká, zatímco materiály typu II mají dva kritické body pole, mezi nimiž může existovat smíšený stav. Jiný způsob klasifikace supravodičů je podle teploty, přičemž „nízkoteplotní“ materiály spadají pod supravodivost chlazenou kapalným dusíkem a „vysokoteplotní“ nad ni. Nízkoteplotní materiály mohou být chlazeny pomocí kapalných plynů, jako je neon, vodík a helium.
Úplný seznam kritických teplot supravodivých materiálů naleznete zde pro typ I a zde pro typ II.
Níže uvedený graf ilustruje toto rozlišení, stejně jako časová osa zobrazující historii objevů kritických teplot. Materiály s kritickou teplotou spadající nad bod varu kapalného dusíku (přibližně 77 K) se označují jako vysokoteplotní materiály. Dramatický nárůst Tc, který je vidět uprostřed grafu, je výsledkem objevu supravodivých kuprátů a perovskitů s vysokou Tc v letech 1986 a 1987.
Faktory formy výrobku
Dodavatelé supravodičů a supravodivých materiálů nabízejí výrobky v různých formách, z nichž některé jsou uvedeny níže.
Surové supravodivé materiály zahrnují chemické sloučeniny ve formě prášku nebo krystalů. Supravodivý prášek je součástí výroby účinnějších palivových článků, membrán pro separaci plynů a lithium-iontových baterií.
Magnety se vyrábějí pro aplikace MAGLEV a MRI, jak je uvedeno níže, a také pro mikroskopii a NMR/EPR spektroskopii.
Dráty a kabely se používají pro supravodivý přenos energie a vědecký výzkum v ultravysokých magnetických polích.
Výrobci supravodičů se mohou specializovat na vývoj určité supravodivé sloučeniny, například vzorců na bázi niobu nebo diboridu hořečnatého (MgB2).
Aplikace
Supravodiče nejsou dostupné v širokém komerčním měřítku kvůli rozsáhlému chlazení, které je nutné k dosažení supravodivých stavů. Jsou běžné v několika specializovaných aplikacích, včetně:
Vlaky MAGLEV používají supravodivé magnety, které prakticky eliminují tření mezi vlakem a kolejemi. Při použití běžných elektromagnetů by se ztrácelo obrovské množství energie tepelnými ztrátami a bylo by nutné použít těžkopádný magnet, zatímco supravodiče vedou k vyšší účinnosti a menším magnetům.
Magnetická rezonance (MRI) využívá magnetické pole generované supravodiči k interakci s atomy vodíku a molekulami tuku v lidském těle. Tyto atomy a molekuly pak uvolňují energii, která je detekována a formována do grafického obrazu. MRI je široce používaná radiografická metoda pro lékařskou diagnostiku nebo stanovení stádia onemocnění, jako je rakovina.
Elektrické generátory postavené ze supravodivých vodičů dosáhly při experimentálních testech 99% účinnosti, ale zatím nebyly postaveny komerčně.
Výroba elektrické energie pomocí supravodivých kabelů a transformátorů byla experimentálně testována a demonstrována.
Normy
Různé publikované normy a příručky se zabývají supravodivostí a supravodiči. Příklady zahrnují:
- BS EN 61788-Superconductivity (series)
- IET-Electrodynamic theory of superconductors
- Wiley-High temperature semiconductor bulk materials
.