Suprajohteet

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

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

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

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

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

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

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.

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

Erilaisia hiloja

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

Suprajohteiden sovellukset

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

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

Fuusiomagneetti Suprajohteita käytetään fuusioreaktoreissa kuuman plasman koossa pitämiseen

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

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

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

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

Suprajohdemagneetit CERNissä

Kiihdytinputken rakenne

Kvadropolimagneetti

Dipolimagneetti

Dipolimagneetti tarkemmin

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