Supravodivost je stav látky, ve kterém je elektrický odpor pod kritickou teplotou neměřitelně malý a materiál současně vykazuje Meissnerův‑Ochsenfeldův jev. Tabulky níže shrnují vybrané supravodiče, jejich kritické teploty a orientační kritická pole.
U některých vodičů a sloučenin nastává při ochlazení pod určitou teplotu supravodivost. Měrný odpor se pak stane neměřitelně malým a v uzavřené supravodivé smyčce může proud přetrvávat mimořádně dlouho bez dodávaného napětí. Supravodivost objevil roku 1911 Heike Kamerlingh Onnes při měření rtuti chlazené kapalným heliem; v roce 1913 získal Nobelovu cenu za fyziku.
Supravodič není jen „dokonalý vodič“. Důležitý je také Meissnerův‑Ochsenfeldův jev, objevený roku 1933: supravodič při přechodu do supravodivého stavu vytlačuje magnetické pole ze svého objemu. Právě tato magnetická vlastnost odlišuje supravodivost od pouhé nulové rezistivity.
Pro popis supravodiče jsou vedle kritické teploty Tc důležité také kritické magnetické pole a kritická proudová hustota. Supravodivost zaniká, pokud je překročena teplota, magnetické pole nebo proudová hustota daného materiálu.
Jak tabulky používat
Hodnoty v tabulkách jsou orientační. Kritická teplota i kritická pole závisejí na čistotě, krystalové struktuře, tlaku, zpracování vzorku a způsobu měření. U technických supravodičů je samotná hodnota Tc jen část informace: pro magnety je klíčové, jak velké pole a jaký proud materiál snese při konkrétní pracovní teplotě.
- Tc je kritická teplota supravodivého přechodu.
- Bc nebo Bc0 vyjadřuje kritickou magnetickou indukci, často extrapolovanou k 0 K.
- Bc1 a Bc2 jsou dolní a horní kritické pole supravodičů II. typu.
- Eg0 značí energetickou mezeru při 0 K; v různých zdrojích se mohou lišit použité konvence a přesnost.
Supravodiče I. a II. typu
Supravodiče I. typu bývají typicky čisté prvky s jedním kritickým polem. Nad ním supravodivost náhle zaniká. Supravodiče II. typu mají dvě kritická pole: mezi Bc1 a Bc2 vzniká smíšený stav, ve kterém magnetické pole proniká materiálem ve formě kvantovaných vírů. Díky vysokému Bc2 jsou supravodiče II. typu zásadní pro technické magnety.
| Prvek | Typ | Tc [K] | Poznámka |
|---|---|---|---|
| Al | I | 1,175 | nízké kritické pole |
| Cd | I | 0,517 | |
| Ga | I | 1,07 | |
| Hg – α | I | 4,154 | materiál prvního objevu supravodivosti |
| Hg – β | I | 3,949 | jiná krystalová modifikace rtuti |
| In | I | 3,403 5 | |
| Ir | I | 0,112 5 | |
| Mo | I | 0,915 | |
| Pb | I | 7,196 | klasický nízkoteplotní supravodič |
| Sn | I | 3,722 | Meissnerův jev byl prokazován mimo jiné na cínu |
| Ta | I | 4,47 | |
| W | I | 0,015 4 | velmi nízká kritická teplota |
| Zn | I | 0,85 | opravená orientační hodnota; závisí na čistotě vzorku |
| Nb | II | 9,25 | nejvyšší Tc mezi prvkovými supravodiči |
| Tc | II | 7,8 | prvkový supravodič II. typu |
| V | II | 5,40 | prvkový supravodič II. typu |
| Zr | II | 0,70 | orientační zařazení podle běžných tabulek |
Technické supravodiče II. typu
Technicky nejdůležitější jsou supravodiče II. typu, protože mohou pracovat ve vysokých magnetických polích. Nejznámější jsou Nb‑Ti a Nb3Sn. Používají se v MRI, NMR, urychlovačích částic a výzkumných magnetech.
| Materiál | Tc [K] | Bc2 [T] |
|---|---|---|
| Sloučeniny | ||
| Nb3Sn | 18–18,3 | 22,5–23,5 |
| Nb3Al | 18,7 | 29,5 |
| Nb3Ge | 23,2 | |
| Nb0,68Ga0,32 | 20,2 | 33,6 |
| Nb0,16Al0,64Ge0,2 | 20,7 | 41 |
| Nb3Al0,75Ge0,25 | 18,5 | 42 |
| V3Ga | 14–14,8 | 19,6–21,5 |
| V3Si | 16,9 | 22,8 |
| La3In | 10,4 | |
| Slitiny | ||
| Nb‑Ti | 8–10 | 9–12 |
| Nb‑Zr | 9–11 | 6–9 |
| Nb‑Zr‑Ti | 8–11 | 8–11 |
Vysokoteplotní supravodiče
Výraz vysokoteplotní supravodiče se používá dvěma způsoby. Historicky označoval materiály s Tc nad zhruba 30 K, které překonaly dřívější limity konvenčních supravodičů. V praktickém smyslu jsou zvlášť významné materiály s Tc nad 77 K, protože je lze chladit kapalným dusíkem.
Kupráty, například YBCO, jsou keramické materiály s vysokou Tc, ale bývají křehké, anizotropní a technologicky náročné. Výzkumné vysokotlaké hydridy dosahují ještě vyšších kritických teplot, ale vyžadují extrémní tlak, takže nejde o běžně použitelná technická supravodiva.
| Materiál | Tc [K] | Poznámka |
|---|---|---|
| La2−xBaxCuO4 | asi 35 | první kuprátový vysokoteplotní supravodič |
| La2−xSrxCuO4 | asi 38–40 | hodnota závisí na dopování |
| YBa2Cu3O7−x (YBCO) | asi 90–93 | supravodivý nad teplotou kapalného dusíku |
| Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi‑2212) | asi 85–95 | kuprátový supravodič |
| Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi‑2223) | asi 108–110 | používá se v některých vysokoteplotních vodičích |
| Tl2Ba2Ca2Cu3O10 | asi 125 | kuprát; technologicky náročný materiál |
| HgBa2Ca2Cu3O8+x | asi 133 | jeden z nejvyšších Tc kuprátů za běžného tlaku |
| H3S | asi 200 | výzkumný hydrid; jen za extrémního tlaku |
| LaH10 | asi 250 | výzkumný hydrid; jen za extrémního tlaku |
V praxi
Supravodiče se používají tam, kde je potřeba extrémně silné magnetické pole, velmi stabilní proud nebo citlivé měření magnetického signálu:
- Zobrazování magnetickou rezonancí (MRI): Supravodivé magnety z Nb‑Ti chlazené kapalným heliem vytvářejí stabilní pole typicky 1,5 až 3 T.
- Urychlovače částic: Hlavní dipólové magnety LHC v CERNu používají Nb‑Ti a pracují při teplotě kolem 1,9 K v poli přibližně 8,3 T.
- Magnetická levitace: Supravodivé magnety umožňují velmi silná a stabilní magnetická pole. U různých systémů levitace se uplatňuje kombinace elektromagnetických sil, víření toku a v některých případech také Meissnerova jevu.
- Energetika: Vysokoteplotní supravodiče se testují v kabelech, omezovačích zkratového proudu, setrvačnících a silových magnetech. Technickou výzvou zůstává chlazení, cena a mechanická odolnost materiálu.
- Citlivé měření: Supravodivé kvantové interferometry (SQUID) patří k nejcitlivějším magnetometrům.
Souvislosti a zdroje
Supravodivost úzce souvisí s měrným odporem, relativní permeabilitou, magnetickou indukcí, teplotou a s Nobelovými cenami za fyziku. K tématu patří také životopis Heike Kamerlingha Onnese a stránka Nobelova cena 2003.
- Čmelík, M., Machonský, L., Šíma, Z. Fyzikální tabulky. Liberec: TU Liberec, 2001.
- NobelPrize.org – Heike Kamerlingh Onnes
- Harvard University – Introduction to superconductivity
- CERN – Superconducting magnets
- YBa2Cu3O7−x – Wikipedia
Časté otázky
- Co je supravodivost?
- Supravodivost je stav, při kterém elektrický odpor látky po ochlazení pod kritickou teplotu Tc klesne na neměřitelně malou hodnotu. Supravodič zároveň vytlačuje magnetické pole ze svého objemu, což se označuje jako Meissnerův‑Ochsenfeldův jev. Jev objevil roku 1911 Kamerlingh Onnes na rtuti chlazené kapalným heliem.
- Jaký je rozdíl mezi supravodiči I. a II. typu?
- Supravodiče I. typu mají jedno kritické magnetické pole; po jeho překročení supravodivost zaniká. Supravodiče II. typu mají dolní a horní kritické pole. Mezi nimi vzniká smíšený stav s magnetickými víry, díky němuž mohou materiály pracovat ve vysokých magnetických polích.
- Co znamená kritická teplota Tc?
- Kritická teplota Tc je teplota, pod níž se materiál stává supravodivým. Sama o sobě ale neurčuje použitelnost materiálu. Pro technickou praxi je stejně důležité kritické magnetické pole, kritická proudová hustota, mechanická odolnost a cena chlazení.
- Co jsou vysokoteplotní supravodiče?
- Nejčastěji se tím myslí supravodiče s vyšší Tc než běžné kovové materiály. Prakticky významné jsou zejména kupráty s Tc nad 77 K, například YBCO s Tc kolem 90–93 K. Výzkumné hydridy mohou mít vyšší Tc, ale jen při extrémním tlaku.
- K čemu se supravodiče používají?
- Používají se hlavně v silných magnetech pro MRI, urychlovače částic, výzkumné magnety, některé systémy magnetické levitace a velmi citlivé měřicí přístroje. V energetice se zkoušejí supravodivé kabely a omezovače zkratového proudu.