Innehåll. 1 Inledning 1

Transkript

1 Innehåll 1 Inledning 1 2 Vad är supraledning? Meissnereekten Upptäckten av supraledning BCS-teorin Högtemperatursupraledare - HTS Josephsoneekten Tekniska tillämpningar Elektromagneter Inom medicin Large Hadron Collider - LHC Fusionreaktor Maglev SQUID Generatorer Kraftledningar Sammanfattning 9 Referenser 10 5 Referenser 10

2 1 Inledning Tänk om man kunde leda ström helt utan resistans, eller tänk om man kunde ha fordon som svävade bekvämt och smidigt genom luften. Tack vare supraledning kan detta bli möjligt - om temperaturen är den rätta. Supraledning är helt klart ett spännande forskningsområde som hittills har resulterat i fem Nobelpris! 2 Vad är supraledning? Resistansen i en ledare påverkas av värmen i materialet, t.ex. ökar glödtråden i en glödlampa sin resistans över tid eftersom en stor del av strömmen som går in i glödtråden omvandlas till värme. Det är därför inte konstigt att tänka: vad som händer om man går åt andra hållet?, d v s om man kyler ner ledaren kraftigt. Vid den absoluta nollpunkten borde resistansen vara noll! Men här överraskar fysiken, för vissa material upphör resistansen helt innan den absoluta nollpunkten. Ett material som helt saknar resistans, d v s har oändligt hög ledningsförmåga, och har en förmåga att stöta ut magnetfält (Meissnereekten) kallas supraledare. Ett sådant material skulle givetvis vara väldigt användbart inom många områden men det nns en hake, det krävs väldigt låga temperaturer för att ett material ska bli supraledande överhuvudtaget. 2.1 Meissnereekten Figur 1: Meissnereekten: Svävande magnet ovanför en supraledare Förmågan att helt sakna ett inre magnetfält är typiskt för en supraledare, detta kallas även Meissnereekten. Man kan även se det som att en supraledare inte vill ha ett magnetfält inuti sig. Om man placerar en magnet ovanför en supraledare kommer strömmar att induceras i ytskiktet, som bekant säger Lenz lag att de inducerade strömmarna strävar efter att motverka förändringen. I en supraledare motverkar de inducerade strömmarna förändring helt och hållet. I fallet med supraledare innebär 1

3 det att strömmarna i ytskiktet skapar ett magnetfält som helt motverkar magnetens magnetfält. Uteslutningen av magnetfältet ändras inte med tiden, det betyder att strömmarna på ytan är desamma hela tiden. Resultatet blir att magneten ser sin spegelbild och leviterar (svävar). Fundra över: På vilket sätt måste magneten ligga för att den ska kunna levitera? Undersök med högerhandsregeln. 2.2 Upptäckten av supraledning Supraledningens historia kan sammanfattas i tre viktiga årtal , 1957 och År 1911 upptäcktes att kraftigt nedkylt kvicksilver ck oändligt hög ledningsförmåga, resistansen var alltså noll. Dessa egenskaper noterades då kvicksilvret nådde en temperatur på 4,2 K ( 268, 8 C) vilket är mycket nära den absoluta nollpunkten, en så låg temperatur får man om man använder sig av ytande helium. Dessa undersökningar i kombination med produktionen av ytande helium resulterade i 1913 års Nobelpris i fysik! Fenomenet (svaret på frågan vad?) var upptäckt, kvar var bara svaret på frågorna hur? och varför? Att tänka på: Vad innebär det att någonting har väldigt låg kokpunkt och varför innebär det att det är ett bra köldmedium? 2.3 BCS-teorin Enligt denna teori kan elektroner, under rätt förutsättningar, bilda bundna par (Cooperpar). Alla par har samma rörelsemängd vilket betyder att elektronerna kommer röra sig samlade och ordnade.eftersom elektronerna är bundna till varandra nns därmed även en bindningsenerg mellan demi, vid låga temperaturer saknas det tillräckligt med termisk energi i ledaren för att bryta kopplingen mellan paren. Resultatet blir att elektronerna rör sig väldigt ordnat utan att störas av strukturen inuti ledaren. Elektronerna kan därmed röra sig helt fritt utan att krocka med materialets atomer, resistansen blir därmed noll! MEN, borde inte elektronerna repellera varandra?! Elektroner är negativt laddade och i vanliga fall skulle det innebära en repulsion. Ja, självfallet gäller samma lagar som vanligt även här. Coulombrepulsionen nns där, men attraktionskraften är större! Dessutom är avståndet mellan elektronerna förhållandevis stort vilket som bekant försvagar Coulombrepulsionen. 2

4 Figur 2: Principbild av elektronerna i två ledare. Den övre visar en vanlig ledare där elektronerna rör sig mer oregelbundet och den nedre visar en supraledare där elektronerna rör sig i ordnade par (cooperpar). Mekanismen som ger upphov till denna bindning har än idag inte en fullständig förklaring. En förklaring kan vara att den ena elektronen skapar vibrationer hos materialets atomer vilket ger upphov till en extra energi och rörelsemängd. Energin och rörelsemängden absorberas av den andra elektronen och får elektronparet att röra sig unisont. Om mekanismen bakom bildandet av cooperpar skulle vara känd skulle skapandet av supraledare vara betydligt lättare. Namnet på teorin kommer från de tre fysikerna som först presenterade den: John Bardeen, Leon Cooper och Robert Schrieer, tillsammans erhöll de Nobelpriset i fysik 1972 för sin teori. För den intresserade kan det nämnas att det nns ytterligare teorier, t.ex. Londonteorin som bl.a. bygger på Newtons andra lag. Eftersom bindningen mellan elektronerna hålls ihop så länge det inte blir för mycket termisk energi i ledaren inser vi att det nns er problem än att temperaturen blir för hög (över den kritiska temperaturen, T c ). Supraledningen kan även påverkas av ett för stort magnetfält. När ett magnetfält träar ytan på ledaren bildas som sagt ytströmmar, dessa ger ett energibidrag. Vid tillräckligt stor ödestäthet kan alltså supraledaren tappa sin förmåga och bli en vanlig ledare. Man brukar därför tala om en supraledares kritiska magnetisk ödestäthet. Borde det inte fungera tvärtom också? Jo, en ström ger upphov till ett magnetfält, en för stor ström kan alltså skapa sitt egna magnetfält som i sin tur ger upphov till att supraledningen försvinner. 2.4 Högtemperatursupraledare - HTS Som vi tidigare har noterat visar vissa material supraledande egenskaper vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Utvecklingen av att hitta supraledare som fungerar i högre temperaturer gick långsamt fram till 1986 då det rapporterades om mätningar på ett oxidmaterial som påvisade supraledande egenskaper redan vid 35 K. Detta var starten på en ny era inom supraledning och inom kort nåddes kritiska 3

5 temperaturer (temperaturen där supraledning uppstår) på 90 K. Den idag högsta temperaturen för en supraledare ligger på 133 K ( 140 C). Hur kan man kalla något så ofattbart kallt för högtemperatursupraledare?! Allting är relativt, tidigare var man tvungen att använda ytande väte eller helium för att få fram supraledare. Men en HTS går att kyla ner med ytande kväve (kokpunkt 77 K) vilket är betydligt billigare att framställa än ytande väte och helium. Faktumet att luften består av 78 % kväve bidrar givetvis. Kväve anses vara så pass lätthanterligt att de supraledare som nöjer sig med den nivån av nedkylning kan kallas för högtemperatursupraledare. Målet är givetvis att få rumstemperatursupraledare, anledningen till att det är så svårt att nna sådana nner vi i ovanstående stycke. Eftersom man inte riktigt vet vilken mekanism eller vilka mekanismer som står bakom bildandet av Cooperparen är det svårt att skapa ett material med rätt egenskaper. Om mekanismen vore känd skulle det vara betydligt lättare för dagens forskare att sålla ut de aktuella ämnena och sätta ihop en förening med rätt förutsättningar. Kort sagt har vi än idag inte svaret på frågan varför? 2.5 Josephsoneekten En eekt hos supraledare som har blivit väldigt viktig och användbar i en rad tillämpningar är Josephsoneekten. Det hela är ett kvantmekaniskt fenomen vilket oftast brukar betyda att en partikel gör någonting som den inte borde göra, om vi tänker klassiskt. Om två supraledare separeras av ett tunt isolerande skikt kan, klassiskt sett, ingen ström passera mellan ledarna. Men om vi istället tänker kvantmekaniskt skapas istället en tunneleekt som innebär att elektroner passerar igenom skiktet i par (Cooperpar). Detta leder i sin tur att en ström kan hållas utan att någon spänning behöver ligga över ledarna! Eftersom strömmen endast består av ett par elektroner blir den väldigt lätt påverkad av ett magnetfält. Detta sker precis på samma sätt som när en elektronstråle böjs av när man riktar en permanentmagnet mot den. Resultatet blir en ändring i strömmen som är väldigt lätt att detektera. Upptäckten och teorin om denna tunneleekt resulterade även det i ett Nobelpris. 3 Tekniska tillämpningar Givetvis nns det många tillämpningar på supraledare, att ha en ledare som helt saknar resistans skulle lösa en del hel problem i samhället. Tyvärr nns det begränsningar för supraledare, utöver att de kräver väldigt låga temperaturer så är de esta gjorda av keramiska material vilket, det hörs nästan på namnet, gör dem ömtåliga. Nedan listas ett par exempel på tekniska tillämpningar som används idag eller kan bli aktuella i framtiden. 3.1 Elektromagneter Det idag främsta området där supraledning används är i elektromagneter. Konstruktionen av en elektromagnet med en supraledare är densamma som för en vanlig 4

6 elektromagnet bara det att ledningen, som oftast är av koppar, byts ut mot en supraledande ledning. Dessutom måste elektromagneten givetvis vara i en omgivning där den kan bli kraftigt nedkyld till sin verkande (kritiska) temperatur Inom medicin En av tillämpningarna är magnetisk resonanstomogra (MRT) som används inom medicin som ett komplement till röntgen, med hjälp av MRT kan man även studera kroppens mjukdelar. En MRT har ofta en magnet som kan alstra ett magnetfält på ungefär 6 T (Tesla), i jämförelse kan man tänka på jordens magnetfält som uppgår till ungefär 50 µt. För mer ingående information om MRT se avsnittet om Fysik i medicinsk teknik Large Hadron Collider - LHC Figur 3: Bild från CERN, nedsänkning och montering utav en av de 1232 supraledande magneterna. LHC är världens största partikelaccelerator och används för att undersöka giltigheten och begränsningar hos Standardmodellen för partikelfysik. Detta görs genom att accelerera partiklar, vanligtvis protoner, med hjälp av en supraledande elektromagnet. Längs den 27 km långa tunneln sitter 1232 supraledande magneter, var och en kapabel till att producera ett magnetfält på 8,4 T. I LHC används magneter som är supraledande vid 1,9 K, dels p g a den enorma mängd magneter som går åt (blir väldigt dyrt att använda sig utav HTS då varje magnet väger 35 ton!) och dels p g a att det ändå är vakuum inuti i tunneln. LHC används bl a för att få fram och detektera Higgspartikeln. Protoner accelereras upp i hastigheter kring 99 % av ljusets hastighet och sedan låter man dessa kollidera. Sedan detekteras vilka produkter som erhölls vid kollisionen och vilka hastigheter de hade. 5

7 3.1.3 Fusionreaktor I en fusionsreaktor är målet att kontrollerat kunna skapa samma process som sker inuti solen, detta för att utvinna elenergi. För att detta ska kunna göras krävs en temperatur på ca 100 miljoner Celsius. Detta försöker man göra genom att hetta upp plasma genom att innesluta det i en munkliknande kammare (en torus) omgiven av starka elektromagneter. Det hela kan liknas med partikelacceleratorn fast i mindre skala och som mål att uppnå hög värme. Hittills har man inte lyckats hålla rätt temperatur på plasmat för att en fusion ska kunna starta Maglev Figur 4: Ett transrapidtåg på testbanan i Emsland, Tyskland. Maglev är en ihopslagning av engelskans magnetic levitation och är ett samlingsnamn för den metod då ett objekt hålls svävande enbart med hjälp av ett magnetfält. Ett exempel inom detta är tåg, ofta kallade maglevtåg, ett exempel på ett sådant är det tyska Transrapid. Varje tåg bär på en kraftig elektromagnet riktad mot spåret och längs banan nns en motriktad elektromagnet. På så sätt blir tåget svävande ovanför banan, fördelarna med tekniken är många. Dels är tågen betydligt tystare än vanliga tåg då det inte blir något buller mellan tåg och räls, dels förbrukar de inte lika mycket energi som ett vanligt tåg (faktum är att energin som går åt till att bromsa går att omvandla till elektrisk energi genom induktion!). Nackdelarna är dock att det är dyrt att bygga och att det bara går att köra tågen i en riktning längs banan, detta eftersom magneterna på tåget och banan måste vara kongurerade mot varandra på rätt sätt. För att tåget ska kunna drivas framåt används samma princip som i en linjär elmotor. En linjär elmotor är ungefär som en utsmetad cirkulär motor men istället för att producera en roterande rörelse fås en kraft som er en rörelse i samma riktning som banan. Samma princip kan användas för att inducera elektricitet vilket används vid inbromsning enligt ovan. Principen är densamma som i en skakdriven cklampa. 6

8 3.2 SQUID SQUID (Superconducting QUantum Interference Devices) är ett samlingsnamn för mätare och detektorer av väldigt små magnetfält (ner mot så små magnetfält som 1 nt). Möjliga användningsområden är bl.a. för att mäta magnetiska egenskaper hos olika material men det används även inom medicin för att mäta neuronaktiviteten i hjärnan eller i hjärtat. Tekniken som en SQUID använder sig utav är den tidigare nämnda Johnsoneekten. SQUID:s nns både som likströms- (DC) och växelströmsvarianter (RF, Radio Frequency). DC-varianten har plats för två eller er övergångar (tunnlar) vilket dels gör de dyrare att tillverka och dels gör de mycket känsligare. RF-varianten har bara en övergång och är därmed mycket billigare att tillverka men det nns färre ställen där magnetfält kan störa vilket gör de mindre känsliga. De esta SQUID:s använder sig huvudsakligen av lågtemperatursupraledare och kyls därför ner med helium, anledningen är att högtemperatursupraledare inte har samma extrema känslighet. 3.3 Generatorer En tillämpning för supraledare är en generator för att inducera ström. Principen för en supraledande generator är densamma som för en vanlig generator med skillnaden att man byter ut kopparledningarna i spolen mot supraledare eller så byts magneterna ut mot supraledande elektromagneter (eller både och). Det mest förekommande är det förstnämnda då en elektromagnet i sin tur skulle behöva ström vilket intuitivt låter dumt om man ska producera just ström. Fördelarna med att använda sig utav supraledare är att man får en betydligt högre eektivitet jämfört med när man använder sig utav vanliga ledare. Storleken på generatorerna blir ofta mindre då supraledarna ofta har betydligt mindre tvärsnittsarea än vad koppartråden har. Nackdelarna är att de är dyrare att tillverka än vanliga generatorer, att de behöver ett nedkylningssystem för att fungera, vid användning av HTS tillkommer även att generatorerna blir ömtåliga då materialen oftast är keramiska. En perfekt supraledande generator kan få en verkningsgrad på upp till 99 % vilket givetvis skulle vara ett bra tillskott till dagens elproduktion. Som bekant är skillnaden mellan en motor och en generator inte stor, därför tänker inte principen för en motor förklaras mer noggrannt. Bra och supraledande motorer kan vara lösningen på hur framtidens drivmedel och fordon ska vara. En bra elmotor och en generator med hög verkningsgrad skulle vara ett väldigt bra alternativ till dagens bensinbilar. Fundra över: Finns det några hinder för att uppnå 100 % verkningsgrad? 3.4 Kraftledningar Genom att byta ut kraftledningar mot supraledare hoppas man kunna belasta näten med en högre kapacitet samtidigt som förlusterna blir mindre. Detta eftersom supraledarna saknar resistans vilket är orsaken till varför man idag transformerar upp spänningen när den ska distrubueras. Förhoppningar nns att man t.o.m. ska slippa använda sig utav transformatorer, den enda energiförlusten som då blir är den som används för att hålla supraledarna vid rätt temperatur. Ett utav de största 7

9 projekten med supraledande kraftnät är Tres Amigas SuperStation som med hjälp av supraledare ska knyta ihop tre stora delar av USA:s kraftnät. Fundra över: Kan du komma på någon egen tillämpning för supraledare? 8

10 4 Sammanfattning Supraledning En ledare som helt saknar resistans och påvisar meissnereekten kallas supraledare. En supraledare fungerar först vid väldigt låga temperaturer. Meissnereekten Förmågan hos en supraledare att inducera strömmar i sitt ytskikt, strömmar som i sin tur helt motverkar magnetfältet som träar supraledaren. Detta ger upphov till att en magnet som placeras ovanför en supraledare börjar sväva. BCS-teorin En Nobelprisbelönad teori som förklarar hur supraledning fungerar. Genom att elektroner bildar bundna par och utför en samordnad rörelse obehindrat genom materialets struktur vilket innebär att elektronerna inte krockar med något på vägen. Resistansen blir därmed noll. HTS Förkortning av högtemperatursupraledare, ett samlingsnamn på supraledare som kan använda sig utav ytande kväve som kylning. Upptäckten av HTS belönades även den med ett Nobelpris. Supraledning kan användas till Kraftfulla elektromagneter, fdetektering av små magnetfält (SQUID), svävande tåg (Maglev-teknik), Fusionsreaktorer, eektiva generatorer och elmotorer m.m.. Stoppklossar Det som hindrar oss från att använda supraledning i allt är dels att det krävs så låg temperatur för att en supraledare ska fungera och dels för att de esta applikationer frigör värme under processen vilket gör att supraledningen upphör. Om man får bukt på dessa problem eller lyckas tillverka supraledande material som klarar av rumstemperatur är många problem lösta. 9

11 5 Referenser Alphonce, Bergström, Gunnvald, Johansson, Lindahl & Nilsson Fysik för gymnasieskolan B. Stockholm: Natur och Kultur. Engström, Lars Alfred Elektromagnetism: Från bärnsten till fältteori. Lund: Studentlitteratur. Harris, Randy Modern Physics - second edition. San Francisco: Pearson Eduaction. Young & Freedman Sears & Zemansky's University Physics - with modern physics 13th ed. San Francisco: Pearson Eduaction. Large Hadron Collider - Cern. Internetlänk kontrollerad : web.cern.ch/lhc-machine-outreach/components/magnets.htm 10