STRUKE:

supravodljivost

supravodljivost (supra- + vodljivost), stanje pojedinih tvari koje se na niskim temperaturama očituje u nestanku njihova električnoga otpora, prolasku električne struje kroz tanku izolatorsku barijeru unutar njih bez električnoga otpora (Josephsonov efekt) i lebdenju magneta iznad njihove površine (Meissnerov efekt).

Supravodljivost je 1911. otkrio Heike Kamerlingh–Onnes dok je proučavao ovisnost električnoga otpora žive o temperaturi. Primijetio je da na temperaturama nižima od 4,2 K električni otpor pada na nemjerljivo malu vrijednost. Zbog supravodljivosti će npr. u olovnom prstenu uronjenom u ukapljeni helij istosmjerna električna struja nastaviti teći i godinama nakon što se izvor struje isključi. Walther Meissner je 1933. otkrio da se metali ohlađeni do supravodljivoga stanja ponašaju kao savršeni dijamagneti, tj. u tankom površinskom sloju induciraju se struje koje stvaraju takvo magnetno polje koje poništava vanjsko polje te je u unutrašnjosti supravodiča magnetno polje jednako nuli. Ako se npr. na materijal koji može biti supravodljiv na temperaturama višima od 100 K postavi lagani magnet i ako se materijal polije ukapljenim dušikom, magnet će se podići iznad njega i lebdjeti.

Supravodljivo stanje određuju tri parametra svojstvena svakoj tvari: kritična temperatura, kritična magnetska indukcija i kritična gustoća električne struje. Ako je samo jedan od tih triju parametara veći od kritične vrijednosti, tvar ne može biti u supravodljivom stanju. Supravodiči se mogu podijeliti na: supravodiče prve vrste, koji su bili prvi otkriveni i uglavnom su čisti kemijski elementi, a koji naglo prelaze u supravodljivo stanje i magnetsko polje ne prodire u njihovu unutrašnjost, i supravodiče druge vrste, koji su nađeni poslije, uglavnom su kemijski spojevi i slitine, postupno prelaze u supravodljivo stanje, a u djelomično supravodljivom stanju u njima se oblikuju magnetski vrtlozi.

Prvu teoriju koja opisuje kako se elektroni, prenositelji električnoga naboja, ponašaju u supravodiču prve vrste objavili su 1957. John Bardeen, Leon Cooper i John Robert Schrieffer (BCS-teorija). Ta kvantnomehanička teorija pretpostavlja da se na vrlo niskim temperaturama elektroni gibaju u parovima (Cooperovi parovi), da privlačno međudjelovanje elektron–rešetka–elektron prevladava Coulombovo odbojno međudjelovanje i da se svaki par elektrona na međusobnoj udaljenosti od približno 100 nm može gibati kroz kristalnu rešetku bez gubitka energije, čak i tunelirati kroz izolatorsku barijeru. Porastom temperature jačaju vibracije rešetke, koje iznad kritične temperature razdvajaju električne parove. Aleksej Aleksejevič Abriksov je 1957. objavio teoriju koja opisuje kako se u supravodiču druge vrste povećava broj magnetskih vrtloga kada se pojačava magnetsko polje i kako supravodljivost nestaje kada se jezgre vrtloga počnu preklapati.

Za praktičnu primjenu supravodiča važna je temperatura na kojoj oni postaju supravodljivi. Ako je ta temperatura niža od 20 K, hladiti se mora ukapljenim helijem, a ako je 100 K i viša, hlađenje se može postići ukapljenim dušikom, što je približno 500 puta jeftinije od hlađenja helijem. Prvi je komercijalni supravodič u obliku žice proizveden 1961. Njegova je kemijska formula Nb3Sn, imao je kritičnu temperaturu 23 K, kritičnu magnetsku indukciju 20 T i kritičnu gustoću struje 105 A/cm². Godine 1987. otkriven je supravodič formule YBa2Cu3O7, spoj koji postaje supravodljiv na temperaturi 92 K, što je dovelo do novoga skoka u razvoju istraživanja i primjene supravodljivosti. Danas je poznato 29 kemijskih elemenata, metala, koji su supravodiči u uobičajenom obliku, i još 17 njih koji postaju supravodljivi pod visokim tlakom ili u nekim drugim posebnim uvjetima. Supravodljivih je slitina više od 1000. Godine 2007. na slitini koja sadrži kositar, indij, barij, tulij, bakar i kisik (Sn1,4In0,6Ba4Tm5Cu7O20+) postignuta je supravodljivost na temperaturi 175 K.

Supravodljivost se primjenjuje u iznimno snažnim magnetima akceleratora čestica, u uređajima za dobivanje snimaka unutrašnjosti ljudskoga tijela s pomoću nuklearne magnetske rezonancije, gdje razlučivanje detalja ovisi o jakosti magnetskoga polja, lebdećim vozilima, gdje supravodljivi magneti ugrađeni u vozila omogućavaju lebdenje iznad pruge. Instrumenti koji rade prema načelu Josephsonova efekta služe za mjerenje slabih magnetskih polja i za mjerenje tempetatura nižih od 1 K. Josephsonov se efekt primjenjuje i za pojačavanje elektromagnetskih signala i za brzo pretvaranje analognih signala u digitalne.

supravodljivost. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 18.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=58849>.