Scientia

Supraconductorii sunt conductori electrici a căror rezistenţă devine practic nulă la anumite temperaturi. Această proprietate permite dezvoltarea unor tehnologii ca, de pildă, trenurile propulsate prin levitaţie magnetică. Citiţi în acest articol (însoţit de un material video) cum funcţionează supraconductorii.

SUPRACONDUCTORII

Ştiaţi că anumite materiale ceramice şi câteva metale, când sunt aduse la temperaturi cuprinse între zero absolut şi temperatura de lichefiere a azotului (77 K) îşi pierd complet rezistivitatea electrică? Temperatura la care rezistenţa electrică devine nulă se numeşte temperatură critică (T_c) şi variază de la un material la altul. Starea de supraconductibilitate este atinsă de obicei prin răcirea diverselor materiale cu heliu sau azot lichid. Iată câteva temperaturi critice: din categoria metalelor - T_c-zinc =0.88 K, T_c-aluminiu =1.19 K, T_c-mercur =4.15 K, iar din categoria materialelor ceramice: YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) are T_c=91K, iar în cazul compusului TlBaCaCuO - T_c=125K.

În continuarea vor fi introduse principii ce descriu funcţionarea supraconductorilor: efectul Meissner, levitaţia şi suspensia magnetice şi efectul de captare în flux magnetic¹.

În cadrul acestei demonstraţii, obiectul negru din interiorul containerului de polistiren (vezi filmul de deasupra) este un fragment de YBCO  (oxid de cupru, ytriu şi bariu - un material care capătă proprietăţi de supraconductor la temperaturi ceva mai ridicate). Lângă supraconductor este o lingură de fier. La temperatura camerei supraconductorii se comportă asemenea pietrelor, fără a interacţiona deloc cu lingura. Obiectul cilindric cu înveliş metalic este un magnet foarte puternic. Când lingura de fier este plasată în apropierea puternicului magnet, acesta este atras rapid spre lingură.

Lichidul fumegând care este turnat pe supraconductor este azot lichid. Temperatura acestuia este de minus 196 grade Celsius sau 77 de grade Kelvin. Lichidul din preajma supraconductorului trece printr-un proces intens de fierbere  datorită căldurii absorbite de azotul lichid din materialul supraconductor. Azotul lichid devine gaz, iar temperatura supraconductorului scade gradat.  Când procesul de fierbere se opreşte, înseamnă că supraconductorul şi azotul lichid sunt în echilibru termic. Este un indiciu al faptului că temperatura a scăzut sub pragul critic de supraconductibilitate, adică 91 de grade Kelvin în cazul compusului de YBCO, materialul având în acest moment proprietăţi supraconductive.

EFECTUL MEISSNER

Pe parcursul procesului de răcire, supraconductorul nu a fost plasat în imediata vecinătate a unui magnet. Acest tip de răcire poartă numele de răcire nestimulată, ceea ce înseamnă că materialul supraconductor este răcit în absenţa vreunui câmp magnetic exterior.  După ce materialul capătă proprietăţi supraconductive, pe măsură ce un magnet se apropie de el, se manifestă un fenomen ciudat. Supraconductorul este respins. Acest fenomen poartă numele de efect Meissner.

Levitaţie magnetică - efect Meissner

EFECTUL PRINDERII ÎN FLUXUL MAGNETIC ŞI LEVITAŢIA MAGNETICĂ

În continuare fixăm supraconductorul dedesubtul magnetului, prin apăsarea magnetului spre acesta. Câmpul magnetic generate de magnet va traversa supraconductorul  dând naştere unui aşa-numit efect de prindere în flux magnetic.

În acest moment supraconductorul şi magnetul se resping şi se atrag în acelaşi timp.  Această combinaţie de forţe de respingere şi de atracţie permite magnetului să plutească în mod stabil deasupra supraconductorului. Acest fenomen poartă numele de levitaţie magnetică. Dacă magnetul este uşor rotit, acesta se va răsuci deasupra supraconductorului, aşa cum se poate vedea în clip.

SUSPENSIA MAGNETICĂ

Când ridicăm magnetul, supraconductorul va părăsi şi el containerul, rămânând suspendat - stabil - dedesubtul magnetului. Acest fenomen poartă numele de suspensie magnetică. Atât levitaţia, cât şi suspensia magnetice sunt generate de efectul de prindere în flux magnetic.

Atunci când separăm în mod forţat magnetul de supraconductor, pentru a apropia ulterior, din nou, foarte lent magnetul, supraconductorul va fi atras de către magnet şi adus foarte aproape de acesta. Totuşi, nu este acelaşi comportament ca în cazul a doi magneţi ai căror poli opuşi se atrag ducând la lipirea acestora. Supraconductorul şi magnetul se atrag, dar se şi resping reciproc, menţinând o distanţă constantă unul faţă de celălalt. Dacă întoarcem magnetul cu celălalt pol spre supraconductor şi îl apropiem de acesta,  cel din urmă va fi împins la distanţă de magnet. Mai mult, supraconductorul va avea tendinţa de a se răsturna pentru a se realinia, putând fi astfel din nou atras de către magnet.

În rezumat, în urma diverselor procedee de magnetizare, supraconductorul se va comporta în mod diferit, punând în evidenţă diverse efecte şi fenomene: efectul Meissner, levitaţia şi suspensia magnetice, dar şi efectul de prindere în flux magnetic.

Plecând de la aceste caracteristici ale supraconductorilor, multe tehnologii moderne sunt în faza de proiect, atât pentru aplicaţii pe scară largă, aşa cum este cazul trenului Maglev destinat transportului în comun, dar şi pentru aplicaţii la scară mai mică, aşa cum este cazul în industria fabricării semiconductorilor. Tehnologiile supraconductorilor vor continua să evolueze şi vor deveni în mod cert calea spre un viitor mai eficient.

Maglev - tren cu levitaţie magnetică

1. flux trapping effect