Nobel 1913 — Kamerlingh Onnes

Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera

To rozszerzenie szkolnego tematu oporu elektrycznego i jego zależności od temperatury oraz pola magnetycznego — poza programem. Schładzaj próbkę: poniżej temperatury krytycznej opór skokowo spada do zera (prąd bez strat), a wypychane pole magnetyczne unosi magnes (efekt Meissnera).

Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera
Fizyka · Fizyka współczesna · Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera (FIZ.WSP.PP.06)
Temperatura próbki TT (T_c = 92 K)120 K
Poniżej temperatury krytycznej opór nadprzewodnika wynosi:
temperatura T
120 K
opór R
7.20 Ω
stan
normalny
straty P
7.20 W
🎯 Wyzwanie: rozpoznaj stan
seria: 0

Dam Ci temperaturę próbki — zgadnij jej stan (bez suwaka). Temperatura krytyczna T_c = 92 K.

Co się właśnie stało?

Powyżej temperatury krytycznej próbka jest zwykłym metalem — jej opór rośnie liniowo z temperaturą. Po schłodzeniu poniżej TcT_c opór spada skokowo do zera: materiał przechodzi w stan nadprzewodzący.

Opór a temperatura:

R(T)={ρ TT>Tc0T≤TcR(T) = \begin{cases} \rho\,T & T > T_c \\[4pt] 0 & T \le T_c \end{cases}

— dla metalu opór jest wprost proporcjonalny do temperatury, ale przy temperaturze krytycznej TcT_c pojawia się nagły skok: R=0R = 0. Dla YBCO Tc≈92 KT_c \approx 92\,\mathrm{K}.

Prąd bez strat:

Gdy R=0R = 0, przez próbkę płynie prąd, ale nie wydziela się ciepło Joule'a:

P=I2R=0(R=0)P = I^2R = 0 \quad (R = 0)

Ładunki płyną bez oporu — raz wzbudzony prąd może krążyć w pętli nadprzewodzącej praktycznie w nieskończoność.

Efekt Meissnera:

Poniżej TcT_c nadprzewodnik wypycha pole magnetyczne ze swojego wnętrza (B=0B = 0 wewnątrz). Prądy ekranujące na powierzchni wytwarzają pole przeciwne do zewnętrznego — dlatego magnes unosi się i lewituje nad próbką. To zjawisko wykorzystują pociągi maglev.

Gdzie to działa?

Nadprzewodniki niosą ogromne prądy bez strat — stąd silne elektromagnesy w tomografach MRI, akceleratorach cząstek oraz lewitujące pociągi maglev.

Po co Ci to na maturze:

To rozszerzenie tematu oporu elektrycznego i jego zależności od temperatury oraz pola magnetycznego. Chwyt: sprawdź, czy TT jest powyżej, czy poniżej TcT_c — to rozstrzyga, czy opór rośnie z temperaturą, czy wynosi dokładnie zero (a wtedy P=I2R=0P = I^2R = 0).

Zapamiętaj: poniżej temperatury krytycznej opór nadprzewodnika to dokładnie zero — prąd płynie bez strat, a pole magnetyczne jest wypychane (efekt Meissnera → lewitacja).

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Zerowy opór

Powyżej temperatury krytycznej opór metalu rośnie z temperaturą. Poniżej TcT_c opór nadprzewodnika skokowo spada do zera: R=0(T<Tc)R = 0 \quad (T < T_c) Prąd płynie wtedy bez strat energii (bez wydzielania ciepła RI2R I^2).

Efekt Meissnera

Nadprzewodnik całkowicie wypycha ze swojego wnętrza pole magnetyczne. Wypychane linie pola tworzą siłę unoszącą — magnes lewituje nad próbką.

Zastosowania

Silne elektromagnesy (rezonans MRI), pociągi maglev, akceleratory cząstek — wszędzie tam, gdzie potrzeba dużych prądów bez strat.

Oznaczenia: RR — opór elektryczny, TT — temperatura, TcT_c — temperatura krytyczna, II — natężenie prądu.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Co to nadprzewodnik?

Materiał, który poniżej temperatury krytycznej ma zerowy opór — prąd płynie w nim bez strat energii.

›

Dlaczego magnes lewituje?

Nadprzewodnik wypycha pole magnetyczne (efekt Meissnera), tworząc siłę unoszącą magnes.

›

Gdzie się to stosuje?

W silnych magnesach (rezonans MRI), pociągach maglev i akceleratorach cząstek.