TEPLOTY BLÍZKÉ ABSOLUTNÍ NULE SUPRAVODIVOST A SUPRATEKUTOST

Mgr. Radka Mlázovská

Dostupné z www.oalysa.cz. Financováno z ESF a státního rozpočtu ČR.

Obchodní akademie, Lysá nad Labem, Komenského 1534

VY_32_INOVACE_PZA_220

Období vytvoření: červen 2013 Ročník: 1. Tematická oblast: PZA – chemicko-fyzikální základ Předmět: PZA – Přírodovědný základ Popis způsobu použití výukového materiálu ve výuce: výklad

OBSAH

• Supravodivost

• Supratekutost

• Využití

• Zdroje

Pokroky v dosažení minimální teploty

SUPRAVODIVOST a SUPRATEKUTEST

Přiblíží-li se teplota velice blízko teplotě absolutní nuly, dochází ke změnám vlastností látek.

Se snižující teplotou se elektrický odpor snižuje. Objev supravodivosti a zavedení tohoto pojmu: v roce 1911 při měření vlastností rtuti za teploty 4,3 K

Kamerlingh-Onnes zjistil neočekávaný, náhlý a nikým nepředpovězený jev – prudký pokles el. odporu na skoro nulovou hodnotu - nazval jej supravodivostí.

SUPRATEKUTOST

Za zkapalnění 4He a za další objevy a výzkum látek při nízkých teplotách dostal H. Kamerlingh-Onnes v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku.

Nevšiml si dalšího objevu, který měl prakticky na dosah: supratekutosti kapalného hélia 4He, která se projevuje při teplotě nižší než 2,17 K.

SUPRATEKUTOST

Supratekutá látka nebo též supratekutina (z lat. supra = nad) je kapalina s nulovou viskozitou. Tato vlastnost se nazývá supratekutost. Donedávna byla pozorovaná jen u helia při teplotách blízkých absolutní nule.

Supratekutost objevil v roce 1937 ruský vědec Pjotr Leonidovič Kapica a nezávisle i John F. Allen spolu s A. D. Misenerem v laboratoři v Cambridge.

SUPRAVODIVOST

Co je to supravodivost?

Stav, kdy elektrický odpor vodiče klesne na téměř nulovou hodnotu. Stává se bezodporovým vo-dičem bez tepelných ztrát. Proud může kolovat vodičem celá léta bez dodání energie. Neklade průchodu proudu žádný odpor.

SUPRAVODIVOST

Teplotu, při níž se daná látka stává supravodivou, nazýváme kritickou teplotou a ta je charakteristická pro daný materiál. Když daný materiál ochlazujeme, jeho měrný odpor postupně klesá a při kritické teplotě najednou prudce, skokem, spadne na nulu.

SUPRAVODIVOST Většina kovů (Au, Ag, Cu aj.) jsou dobré vodiče.

Některé nazýváme odporové, ty se průchodem proudu více zahřívají (např. wolfram, kanthal, nichrom ).

Každý reálný vodič protékaný proudem se a dochází k významným tepelným ztrátám. Až jedné třetiny protékané energie. A se zvyšující se teplotou se zvyšuje elektrický odpor.

SUPRAVODIVOST

• Princip supravodivého magnetu – který se využívá všude tam, kde potřebujeme vysoké

magnetické pole a máme k dispozici potřebné chladící médium

– Můžeme do cívky ze supravodivého materiálu zavést proud, poté zdroj proudu odpojit a zavedený proud teče cívkou po velmi dlouhou dobu (i několik let) beze změny.

– Protože proud budí v okolí vodiče magnetické pole, je supravodivá cívka zdrojem magnetického pole.

SUPRAVODIVOST

• Které materiály vykazují supravodivost?

– Doposud známé materiály – kovy a jejich slitiny vykazující supravodivé vlastnosti se do supravodivého stavu dostávají jen v nízkých teplotách, hluboko pod teplotou pokojovou.

– Supravodivá je keramika, jejíž nevýhodou je křehkost.

– Nízké teploty dosahujeme pomocí chlazení heliem. Finančně náročné.

SUPRAVODIVOST • DĚLENÍ SUPRAVODIČŮ

– Nízkoteplotní jsou supravodivé materiály při nízkých teplotách, musejí se proto chladit kapalným heliem, bod varu 4.23 K

• čisté kovy a jejich slitiny

– vysokoteplotní supravodiče mají kritické teploty v průměru okolo 90 K, některé až 136 K, tedy nad teplotou kapalného dusíku (bod varu 78 K)

SUPRAVODIVOST • VYUŽITÍ SUPRAVODIČŮ

– MAGLEV - magneticky levitující vlak. Na bocích vagónů má supravodivé cívky vytvářející vysoké magnetické pole . Toto pole indukuje při pohybu vlaku elektrické proudy v měděných cívkách na bocích “kolejiště”. Vlak se vznáší dostatečně vysoko nad zemí. Takovýto vlak jezdí rychlostmi okolo 500 km za hodinu – současný rekord je 563 km/hod.

Levitující dívka

SUPRAVODIVOST

• VYUŽITÍ SUPRAVODIČŮ

– MAGLEV

Supravodivé cívky jsou vyrobeny z klasických supra-vodičů, musejí se chladit kapalným heliem a pro-voz je proto velmi drahý. V budoucnosti se počítá s nahrazením supravodivých cívek permanentními magnety z vysokoteplotních supravodičů, které jsou pro tento účel intenzívně vyvíjeny.

SUPRAVODIVOST • VYUŽITÍ SUPRAVODIČŮ

– supravodivý motor - setrvačníky - bezeztrátová ložiska . Tento typ se dnes vyvíjí pro stabilizaci polohy družic. Teplota ve vesmíru je totiž příhodně nízká, takže odpadá starost o chlazení supravodiče. Ke stabilizaci polohy dochází v důsledku sil, které vznikají při odchýlení osy otáčení setrvačníku z původního směru. Setrvačníky obřích rozměrů s velkou hmotností jsou pak potencionálním zásobníkem kinetické energie, kterou je možné ve vhodný okamžik převést na energii elektrickou a zásobovat tak např. vesmírnou stanici

SUPRAVODIVOST • VYUŽITÍ SUPRAVODIČŮ

Počítačové sítě a procesory

– Aktuálně se vyvíjejí routery pro komunikaci do 160 GHz, což by znamenalo obrovský nárůst přenosové kapacity i rychlosti sítí.

– Dnes se pohybujeme běžně nejvýše v jednotkách či nízkých desítkách GHz, takže jde o zlepšení o více než jeden řád. V této oblasti se mluví o na-sazení v rámci projektu Internet2.

SUPRAVODIVOST • VYUŽITÍ SUPRAVODIČŮ

Integrované obvody a mikročipy či tranzistory

Tím, že se supravodiče nezahřívají ani při vysokých frekvencích, je možné dosáhnout opět řádového zlepšení výkonu celých chipových sad. V současné době se jeví jako perspektivní aplikace především ve velkých suprapočítačových centrech nebo serverových a datových uložištích, kde jsou nároky na chlazení tak vysoké, že se tekutého dusíku již poměrně běžně používá.

SUPRAVODIVOST • VYUŽITÍ SUPRAVODIČŮ

– Zásadní význam mohou mít supravodivé rentgenové detektory, zesilovače.

– Samostatnou kapitolou by pak jistě byla možnost využití supravodivosti v oblasti silnoproudé techniky - ať již v transformátorech nebo třeba i v obyčejném elektrickém vedení.

– Velký význam má supravodivost také v lékařství (např. projekt SQUID).

SUPRAVODIVOST • VYUŽITÍ SUPRAVODIČŮ

– využití v rámci vedení elektrického proudu uvnitř elektráren, které realizuje například společnost ABB (http://www.superconductors.org/Uses.htm), využíití v CERNu či v rámci plánovaného projektu ITER, který by měl významným způsobem posunout možnosti jaderné fuze.

– supravodivost je technologie budoucnosti, která může zásadním způsobem proměnit techniku i fyziku. Přináší totiž zlepšení o více než jeden řád, což podle známého teorému Dr. Grygara vždy přinese vědeckou revoluci.

SUPRAVODIVOST

• VYUŽITÍ SUPRAVODIČŮ – BUDOUCNOST

• Stovky aplikací jsou ve stadiu laboratorních zkoušek a další čekají na svou šanci.

Zcela zásadní dopad na společnost by měla především supravodivost za pokojových teplot, kterou je ale možné zatím označit spíše za hudbu budoucnosti.

Video – levitace v supravodivém stavu

• http://www.youtube.com/watch?v=AfRmru4Zalg

• http://www.youtube.com/watch?v=Ads64vtdEBE

http://www.vectorstock.com/royalty-free-vector/celsius-kelvin-fahrenheit-temperature-scales-vector-982293 http://www.aristoteles.cz/chemie/chemicke_vypocty/termodynamicka-teplota.php http://fikus.omska.cz/~bojkovsm/termodynamika/doplnkove_ulohy.html http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_04_sup.html http://profalexquimicafacil.blogspot.cz/2011/03/escalas-de-temperatura-quem-foram.html http://www.converter.cz/fyzici/kelvin.htm http://www.oskole.sk/?id_cat=3&clanok=6423 http://www.fzu.cz/popularizace/supravodivost-nadeje-pro-21-stoleti http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_04_sup.html http://cs.wikipedia.org/wiki/Supratekutost http://www.beijingholiday.com/travel-news/beijing-maglev-train-plan.html Pokud není uvedeno jinak, jedná se o autorskou práci.

Zdroje