Suprajohteet.

Esitys aiheesta: "Suprajohteet."— Esityksen transkriptio:

1 Suprajohteet

2 Mitä suprajohtavuus tarkoittaa?
metalli Supra-johde suprajohteella: ei ole sähköistä vastusta eli resistiivisyys on nolla magneettikenttä ei tunkeudu materiaaliin (Meissner-ilmiö) tai se kulkee kappaleessa vuoputkia pitkin sen ollessa suprajohtavassa tilassa

3 Suprajohtava tila suprajohteelle tyypillisiä raja-arvoja
kriittinen lämpötila kriittinen magneettikenttä kriittinen virta → näiden kullekin aineelle tyypillisten arvojen alapuolella aine on suprajohtavassa tilassa

4 Quench = karkaisu, training = opetus
Kun virta, kenttä tai lämpötila ylittää suprajohteen kriittisen arvon tapahtuu quench eli normaalitilaan palautuminen, jolloin esimerkiksi metalli muuttuu tavalliseksi resistiiviseksi johteeksi → kuumenee voidaan käyttää myös hyödyksi: esim. Cernissä suprajohteet karkaistaan suurella virralla ja jäähdytetään, useita kertoja, jolloin suprajohteen virran kestävyys paranee

5 Mitä ovat suprajohteet?
neljäsosa alkuaineista muuttuu lähellä absoluuttista nollapistettä (-273 C) suprajohtaviksi suprajohtavia yhdisteitä tunnetaan tuhansia ja ne voidaan jakaa: perinteisiin matalan lämpötilan suprajohteisiin korkean lämpötilan suprajohteisiin käytetyin ja halvin suprajohde on niobi-titaani

6 Suprajohtavista materiaaleista
metallit, metalliyhdisteet, keraamiset aineet sekä muut yhdisteet niobiyhdisteet ovat käytetyimpiä, koska ne kestävät korkeita magneettikenttiä ja sähkövirtoja esim. niobi-titaani ja niobi-sinkki monet suprajohteet ovat vuorostaan kelvottomia, koska quentch tapahtuu pienestäkin magneettisesta häiriöstä korkean lämpötilan suprajohteiden käyttö on ongelmallista, koska ne ovat monimutkaisia ja hauraita keraamisia yhdisteitä

7 Suprajohteista tarkemmin
suprajohteet voidaan myös jakaa: tyypin 1 tyypin 2 suprajohteisiin tyypin 1 suprajohteisiin magneettikenttä ei tunkeudu tyypin 2 suprajohteisiin suuri magneettikenttä tunkeutuu pienistä ”rei’istä” eli suprajohteeseen muodostuu vortekseja

8 Suprajohtavuuden teoriaa
yleisesti hyväksyttyä teoriaa ei vielä ole BCS-teoria selittää matalan lämpötilan suprajohteiden käyttäytymistä Alpo Kallion kehittelemä uusi, SFS-teoria korkean lämpötilan suprajohteille (Oulun yliopisto): Teoria perustuu fermionien (h+) ja niistä pariutumalla muodostuneiden bosonien (B++) väliseen kemialliseen tasapainoon.

9 Miksi resistanssia ei ole suprajohteilla?
Miksi resistanssia ylipäätänsä on? johtimessa kulkevat vapaat elektronit törmäävät johtimen hilan atomeihin tai sen epäpuhtauksiin → elektronit siroavat lämpöliikkeen voimistuminen aiheuttaa hilan atomien värähtelyn voimistumista → elektroneita siroaa enemmän →resistanssi voimistuu

10 Erilaisia hiloja

11 BCS-teoriasta BCS-teorian mukaan elektronit muodostavat suprajohtavassa aineessa ns. Cooperin pareja Cooperin parit kulkeva hilassa ilman vastusta = ei resistanssia ns. kumikalvo-ajatusmalli selittää Cooperin parien muodostumisen

12 Suprajohteiden sovellukset

13 Magneettisovelluksia
Magneetti sovelluksia tullaan käyttämään myös CERNin uudessa kiihdyttimessä, sekä myös levitaatiojunissa ja fuusiomagneeteissa.

14 Levitaatiojuna Levitaatiojuna on nopeampi, saasteettomampi, meluttomampi ja kevyempi kuin normaali kiskoilla kulkeva juna. Suprajohteet asennetaan vaunuihin ja raiteisiin, joten kitka on todella pieni Levitaatiojunaa on jo suunniteltu Tokio- Osaka välille

15 Fuusiomagneetti Suprajohteita käytetään fuusioreaktoreissa kuuman plasman koossa pitämiseen

16 Hiukkasfysiikan sovellukset
CERNin vuonna 2006 valmistuvassa kiihdyttimessä tullaan myös käyttämään suprajohteita. Dipoli- ja kvadropolimagneetit ohjaavat ja fokusoivat hiukkassuihkua Suprajohteita käyttämällä säästetään rahaa, tilaa ja energiaa

17 Magneettinen separointi
Magnetoituvat hiukkaset voidaan erottaa toisistaan korkean magneettikentän avulla Jäteveden puhdistamiseen, punasolujen erottamiseen veriplasmasta, sekä yleiseen tutkimukseen

18 Suprajohtavuuden energiasovelluksia
Jos sähkölinjat olisivat suprajohtavia, olisi energian säästö Suomessa jopa yhden ydinvoimalan kokonaistuoton verran, koska energiahukkaa ei tapahdu laisinkaan. Suprajohtavuuden sovelluksia on kehitelty, mm. moottoreihin, generaattoreihin ja muuntajiin

19 Levitaatioauto? Huoneenlämmössä toimiva suprajohde tuntuu kaukaiselta tavoitteelta. Mikäli sellainen yhdiste onnistutaan löytämään, on sillä todella mullistavia vaikutuksia. Muun muassa tieteiselokuvien lentävät autot tulisivat mahdollisiksi

20 Suprajohdemagneetit CERNissä

21 Kiihdytinputken rakenne

22 Kvadropolimagneetti

23 Dipolimagneetti

24 Dipolimagneetti tarkemmin

25 Kiitokset Kiitoksemme: Tapio Niinikoski CERN Tekijät:
Antti Kiilakoski, Pekka Haimi, Tuomas Heikkilä ja Ilpo Tuikkala