süperiletkenlik - web.deu.edu.trweb.deu.edu.tr/metalurjimalzeme/pdf/mmm2002Malzeme2/DERS10.pdf ·...
Transcript of süperiletkenlik - web.deu.edu.trweb.deu.edu.tr/metalurjimalzeme/pdf/mmm2002Malzeme2/DERS10.pdf ·...
süperiletkenlik
Bir metali sert yaylar ile bağlanmış ve hareket
edebilen pozitif iyonlardan oluşan bir kafes olarak
düşünebiliriz.
Kafeste hareket eden elektronlar elektrik akımı
oluştururlar.
Normal olarak elektronlar birbirlerini iterler ve
kafes yapısı tarafından saçılırlar ve bu şekilde
ortaya bir direnç çıkar.
Akım normal bir iletkenden geçerken enerji kaybı
olur.
Süperiletkenlik
Süper iletkenlik Süper iletkenler elektriği enerji kaybı yaşanmadan
iletirler.
Empüriteler ve kafes yapısı benzer olmasına karşın,
süper iletkenlerde elektronlar karmaşık kafes
yapısında engelsiz hareket ederler.
Hareket halindeki ikinci bir e- bu pozitif bölgeye
doğru çekilir. İkinci e- birincisini takip eder ve kafes
içinden birbirlerine bağlı olarak geçerler: İki
elektronun işbirliği!
Hiçbir şeye çarpmadıkları ve hiçbir sürtünme
yaratmadıkları için elektriği kayıpsız iletirler.
Elektrik bir kristal yapıda atomların dış kısımlarını,
elektronları kullanarak hareket eder.
Kristal yapıyı bir ağaç gibi düşünürsek ve bu ağacın
şiddetle sarsıldığını düşünürsek, bu durumda bir
insanın ağaca tırmanması güçleşir. Özellikle
tırmanan kişinin acelesi varsa!
Elektronlar için de durum benzerdir. Elektronlar
Kristal yapının ısısı nedeniyle sürekli olarak
titreşen atomlarla çarpışırlar.
süperiletkenlik
Süperiletkenlik Elektronların hızını arttırmak için öncelikle
atomların titreşimlerini durdurmak gerekir.
Süper iletkenlik bazı metal, alaşım ve seramiklerde
mutlak sıfır derece yakınlarındaki sıcaklıklarda
elektrik akımının bir dirençle karşılaşmadan
iletilmesidir.
süperiletkenler ● Bir çok saf metal 0 K yakınlarına soğutulduklarında
elektrik direnci giderek düşer ve her bir metal için
karakteristik bir değere yaklaşır.
● Bazı malzemelerde ise çok düşük bir sıcaklıkta
direnç bu küçük değerden birden sıfıra kadar
düşer.
● Bu davranışı sergileyen malzemelere süperiletken
adı verilir.
● Bu malzemelerin süper iletkenlik vasıfları
kazandıkları sıcaklığa kritik sıcaklık (Tc) denir.
Helyum sıvılaştırıcısı 1908’de
Leiden’de tamamlandı.
Süper iletkenlik ilk kez 1911’de
Hollandalı Fizikçi Kamerlingh
Onnes tarafından gözlendi.
Onnes, soğuk telin direncinin
azalacağını düşündü.
Onnes çok saf bir civa telinden
akım geçirerek sıcaklığı
düşürürken direnci ölçtü.
4.2K’de hiç direnç yoktu.
Kamerlingh Onnes
(solda) and Van der
Waals (sağda) Leiden
helyum sıvılaştırıcısı
ile
Süperiletkenliğin keşfi
Tc = malzemenin altında süper iletken olduğu
kritik sıcaklık
Copper
(normal)
Hg
4.2 K
Normal
iletken ve
süper
iletkenler için
0 K civarında
elektrik
direnci-
sıcaklık ilişkisi
Süper iletkenlik
süperiletken bakır
Ele
ktr
ik d
irenci
Sıcaklık (K)
Süper iletkenlik ● Süper iletkenlik esasen elektrik iletkenliği ile ilgili
bir konu olmakla birlikte, malzemenin manyetik
özellikleri ile de yakından ilgilidir.
● süper iletkenlerden çok kuvvetli alanlar üretebilen
mıknatıslar imal edilir.
● Kritik sıcaklık genellikle 1 K dereceden düşük,
metal ve alaşımları için 20 K civarındadır.
● Bazı karmaşık oksit seramiklerinin kritik
sıcaklıklarının 100 K üstünde olduğu belirlenmiştir.
Süper iletkenlik Süper iletkenlik halini 3 çok önemli parametre ile
tanımlarız:
● Kritik sıcaklık (Tc): bir malzemede süper
iletkenliğin görülebileceği en yüksek sıcaklık. Bu
sıcaklığın altında malzemenin direnci sıfırdır.
● Kritik manyetik alan (Hc): dışardan uygulanan
manyetik alan bu kritik değerin üstüne çıkarsa,
malzeme süper iletkenliğini kaybeder.
● Kritik akım yoğunluğu (Jc): süper iletkenin
direnç görmeden (süperiletkenliğini kaybetmeden)
taşıyabileceği, birim kesit alanı için maksimum
akım.
● Tc altındaki sıcaklıklarda, süper iletkenlik özelliği
kritik manyetik alan (Hc) uygulanması ile son
bulur.
● Kritik manyetik alan (Hc) sıcaklığa bağlıdır ve
artan sıcaklıkla düşer.
● Ayni durum akım yoğunluğu için de geçerlidir.
● Bir malzemenin altında süper iletkenlik kazandığı
bir kritik akım yoğunluğu değeri (Jc) vardır.
Süper iletkenlik
Süper iletkenliğin sınırları 26 metal + 100’lerce alaşım ve bileşik süper iletken!
Jc = kritik akım yoğunluğu J < Jc süper iletken
Hc = kritik manyetik alan H < Hc süper iletken
Hc= Ho (1- (T/Tc)2)
bu sınırlar içinde kalan
sıcaklık, manyetik alan ve
akım yoğunluğu değerlerinde
malzeme süper iletken gibi
davranacaktır.
Dışında ise malzeme tekrar normal bir iletkendir.
● Bardeen, Cooper, ve Schrieffer (BCS) süper
iletkenliğin elektronların Cooper çiftleri denen
parçacıkları oluşturacak şekilde birbirilerine
bağlanması ile ortaya çıktığını ileri sürmüşlerdir
(1957).
● elektronlar kristal yapı ile etkileşimleri sonucunda
ayni yüke sahip olmalarına rağmen birbirlerine
doğru çekilirler.
● kritik sıcaklığa soğutulduğunda metaldeki
elektronlar Cooper çiftleri oluştururlar.
Bardeen, Cooper ve Schrieffer (BCS) teorisi
BCS çekim mekanizması Elektronların kristal kafes yapısını hafifçe deforme etmesinden ileri gelir.
çöken matris üstündeki 2 kişiyi birbirlerine yakınlaştırır.
Elektronlar arasındaki bu çekim fonon değişimi olarak tarif edilir.
Süperiletkenler ● Cooper çiftleri fonon değişimine uğrayan
elektronlardır ve birbirlerine bağlıdır.
● Birbirine bağlı elektronlar bozon gibi davranırlar.
Dalga fonksiyonları Pauli Exclusion prensibine
uymaz ve ayni quantum seviyesinde bulunabilirler.
● bağlı fononlar daha az enerjiye sahiptirler. Böylece
latis çarpmaları engellenmiş ve direnç düşürülmüş
olur.
● Kafes yapısındaki atomlar pozitif ve negatif bölgeler
olarak titreştiklerinde elektron çifti çarpışma
olmadan birbirlerine yakınlaşıp uzaklaşırlar.
Cooper çiftleri ● Bu elektron çiftlerinin hareketleri ısıl
titreşimlerden ve yabancı-empürite atomları
tarafından saçılmaya uğratılamayacak kadar
koordineli ve verimli bir şekilde gerçekleşir.
● Dolayısı ile, elektron saçılması ile orantılı olan
direnç sıfır değerine düşer.
kT (kafesin ısıl enerjisi) < bağ enerjisi
oldukça akım hiçbir kayıp yaşamadan metalden
geçer.
cooper çiftinin kafes
içindeki hareketi
süperiletkenlik
elektron elektron
Pozitif yüklü kafes iyonları
Cooper
çifti
Fonon etkileşimi ile enerji değişimi
Süperiletkenlik geçiş sıcaklığı altında çiftlenmiş
elektronlar makroskopik olarak tek bir kuantum
seviyesi oluşturan bir takımdır ve dirençle
karşılaşmadan hareket ederler.
Süper iletkenlik türleri Süper iletkenler bir dış manyetik alanla etkileşimlerine göre 2 türe ayrılırlar:
Tip I
kritik sıcaklığın (Tc) altında mükemmel diamanyetik
karakter sergiler. Tek bir kritik manyetik alana (Hc)
sahiptir.
Tip II
alt kritik alan (Hc1) altında manyetik akıyı iter ve
dışarda tutar. Hc1 ve üst kritik alan (Hc2) arasında
ise bunu kısmen yapar.
Süper iletkenlik türleri
süperiletken
normal
Tip I
süperiletken
normal
Süperiletken
+ normal
Manyeti
k a
lan
Manyeti
k a
lan
Tc Tc
Tip II
sıcaklık sıcaklık
Hc
Hc1
Hc2
Tip I vs Tip II süperiletkenlik
Süper
iletken Süper+
normal normal
Mıknatıslanma vs manyetik alan kuvveti
Bir dış manyetik alan uygulandığında Tip I
süper iletkenlerde keskin bir düşme görülür.
● Tip I malzemeler, süper iletkenlik durumunda
tamamen Diamanyetiktir.
● uygulanan bir manyetik alanın tamamı malzeme
dışında kalır (Meissner etkisi).
● Alan büyüklüğü H arttırıldıkça kritik alan değerine,
(Hc) ulaşılıncaya kadar malzeme diamanyetik kalır.
● Bu noktada süper iletkenlik sona erer; iletkenlik
normal hale döner ve tam bir manyetik akı
geçirgenliği sağlanır.
● Örnek: Alüminyum, kalay, kurşun, civa.
Tip I süperiletkenlik
Tip I Süperiletkenlik
Tip I akım sadece dış yüzeyde
dolayısı ile akım miktarı sınırlı
M
H HC
Meissner Etkisi süper iletken
durumda iken bir
malzeme manyetik
alanı kendi bünyesi
dışında tutar.
Bu malzeme
normal iletken
haline dönünce,
manyetik alan
malzeme
bünyesine
nüfuz eder.
Süper iletkenler manyetik alanları iterler.
Bu sayede süper iletkenler mıknatısların
üstünde havada askıda dururlar.
normal süperiletken
T>Tc
T<Tc
Soğutulmuş bir süper iletken üstünde bir
mıknatısın havada askıda durması Meissner Etkisi
olarak bilinir.
Bir süper iletken manyetik alanda iken kritik
sıcaklığın altına soğutulursa, manyetik alan süper
iletkeni çevreler fakat ona nüfuz edemez.
Mıknatıs süper iletkende iki malzemenin
birbirlerini itmesine yol açan tersine bir manyetik
kuvvet yaratan bir akım oluşturur.
Meissner etkisi
Meissner etkisi bütün manyetik alanları itecek şekilde diamanyetik!
Süper iletkenliğin klasik işareti!
kuvvetli bir nadir element mıknatısını havada askıda
tutmak için kullanılabilir.
Kritik sıcaklığın
altına
soğutulmuş bir
süper iletkenin
bir mıknatısı
itmesi ve havada
askıda tutması
Tip II Süperiletkenlik ● Tip II süper iletkenler düşük alan uygulamalarında
tamamen diamanyetiktir.
● Manyetik alanın malzeme dışında tutulması tamdır.
● Ancak süper iletken durumdan normal iletkenliğe
geçiş yavaş ve kademeli olur.
● Bu geçiş tek bir noktada değil, alt ve üst kritik
alanlar (Hc1 ve Hc2) arasında gerçekleşir.
● Manyetik akı malzeme bünyesine Hc1’de geçmeye
başlar ve manyetik alan arttıkça nüfuziyet artar;
nihayet Hc2 değerinde tamamlanır.
Tip II süperiletkenlik ● HC1 ve HC2 arasındaki alanlarda malzeme çift
karakterli bir durumdadır; hem süper hem de
normal iletken alanları mevcuttur.
● Bir çok pratik uygulama için Tip II süper
iletkenleri, daha yüksek kritik sıcaklık ve kritik
manyetik alan değerleri nedeniyle Tip I süper
iletkenlerine tercih edilir.
● Günümüzde en yaygın olarak kullanılan 3 süper
iletken Nb-Zr ve Nb-Ti alaşımları ve Nb3Sn
metaller arası bileşiğidir.
• Tip II süperiletkenleri Tip I’den farklı olarak 2
kritik alan sahibidirler.
• İlk kritik alana ulaşıldıktan sonra, manyetik akı
malzemeye kısmen nüfuz eder ve normal ve süper
iletkenlikten oluşan karışık bir duruma geçer.
• 2. kritik alan geçildikten sonra süper iletkenlik
birden bire sona erer. Tip I süper iletkenler
genellikle daha yüksek kritik sıcaklığa sahiptirler.
• örnekler YBCO, vanadyum, ve BSCCO
Tip II süperiletkenlik
Tip II süperiletkenlik
Tam diamanyetizm Hc2 Hc1
Hc
Süper
iletken Süper+
normal normal
H
dış manyetik alan uygulandığında Tip II
süper iletkenlerde alan kademeli olarak azalır.
Tip II akım telin içinde akıyor.
-M
Süperiletken elementler
Süper iletken malzemeler ● Elementler dışındaki tüm süper iletkenler Tip II’dir.
● Tip II süper iletkenler Tip I süper iletkenlerden daha büyük bir kritik sıcaklığa (Tc) sahiptir.
● Ti, Cu ve Pb gibi bir çok metalde kritik sıcaklıkta
direnç birden sıfıra düşer.
● Metal ve alaşımlarda kritik sıcaklık 20 K ve
altındadır ve ulaşılması güçtür.
● Yitriyum Baryum Bakır Oksit (YBCO) kritik sıcaklığı
92 K iken diğer seramiklerin kritik sıcaklığı daha da
yüksektir. Oldukça ucuz bir soğutucu olan sıvı
azottan yararlanılarak erişilebilir.
Süper iletken malzemeler
sıcaklıklar C K
Su kaynama 100 373.2
Vücut sıcaklığı 37 310.2
Oda sıcaklığı 25 298.2
Su donma 0 273.2
Civa donma -38.8 234.4
Kuru buz -78.0 195.2
Sıvı oksijen -183.0 90.2
Sıvı azot -196.0 77.2
Sıvı helyum -269.0 4.2
Mutlak sıfır -273.3 0.0
● Bazı metaller ancak aşırı düşük
sıcaklıklarda süper iletken hale
geçebilirler.
● Bunlardan bazıları civa, kurşun,
kalay, alüminyum, niobyum,
kadmiyum, galyum, çinko ve
zirkonyumdur.
● Pratik uygulamalar için kritik
sıcaklıkları çok düşüktür.
● Örnek; Al’un kritik sıcaklığı
1.20 K. ulaşılması çok güç.
Alüminyum çok düşük
sıcaklıklarda süper iletkendir.
Pb da çok düşük sıcaklıklarda
süper iletkendir.
Saf metaller
● Nb-Ti, ve Nb-Zr gibi
metal alaşımları
genellikle Tip II süper
iletkenidirler.
● Metal Alaşımları saf
metallerden daha
yüksek kritik sıcaklıklara
ve manyetik akılara
sahiptirler.
● Pratik uygulamalar için
Saf metallerden daha
faydalıdırlar.
Nb-Ti alaşımının kafes
yapısı.
Metal alaşımları
• Yitriyum Baryum Bakır Oksit sıvı azotun kaynama
noktası (Tc=90 K) üzerinde Tc değerine sahip ilk süper
iletkendir.
• Talyum Baryum Kalsiyum Bakır Oksit süperiletkenler
arasında en yüksek Tc değerine sahiptir (Tc=125 K)
• Bakır oksitlerin kristal
yapı özellikleri sayesinde
iyi süperiletken oldukları
söylenebilir.
• Süperiletkenliğin ortaya
çıkması için antiferro-
mıknatıslanmanın
giderilmesi gerekir. Cu Fe
Yüksek Tc seramik süperiletkenleri
Diğer Cu-oksit süperiletkenleri
Süper iletken malzemeler ● Elektriksel olarak yalıtkan olan bazı seramik malzemeler,
yüksek kritik sıcaklıklarla süper iletken davranış gösterir.
● Araştırmalar 92 K kritik sıcaklığa sahip YBa2Cu3O7 üzerinde
yoğunlaşmıştır.
● Bu malzeme karmaşık perovskit kristal yapısına sahiptir.
● Daha da yüksek kritik sıcaklıklara sahip yeni süper iletken
seramik malzemeler bulunmuştur.
● Bu malzemelerin kritik sıcaklıkları sıvı hidrojen ve sıvı
helyuma göre çok daha ekonomik olan sıvı azotun
kullanılmasına izin veren 77 K üstünde olduğundan
teknolojik yönden umut vericidir.
● Ancak bu yeni süper iletken seramiklerin kırılganlığı faydalı
biçim ve formlarda üretilmelerinde sıkıntı yaratmaktadır.
Süper iletkenlikte gelişmeler 1987- Tc > 30 K için yeni sonuçlar raporlandı
Y Ba2Cu3O7-x Tc = 90 K
Tl2Ba2Ca2Cu3Ox Tc = 122 K
YBa2Cu3O7-x 1987’de Paul Chu tarafından keşfedildi
Tc: 90-95K
Bc2: 100 Tesla
Jc: 1.0x109 A/m2
3 metalik elementin oranları nedeniyle “1-2-3” süper iletkeni denir.
Süper iletken malzemeler
Atom boşlukları (X) CuO2 düzlemleri arasında
elektron birleşmeleri sağlar.
X
X
X
X X
X
X
X Ba Ba Y
YBa2Cu3O7
CuO2 düzlemleri
lineer
zincirler
Cu
O
Cu
(001)
düzlemleri
yüksek-Tc süper iletkenliği
Alex Müller and Georg Bednorz
Paul Chu
164 K
60 yıl süren araştırmalardan sonra 1970’lerde 23 K’e kadar
süper iletken
kalabilen
metalik
bileşikler
keşfedildi.
1986’ya kadar
kritik sıcaklık
39 K’e kadar
yükseldi.
Günümüzde
kritik sıcaklık
164 K dir.
Süper iletkenlerin uygulamaları ● Parçacık hızlandırıcıları
● Güç iletimi Enerji transferi
● Elektrik motorları
● bilgisayarlar
● Tıp
● Manyetik kalkan cihazları
● İnfrared sensörleri
● Analog sinyal proses cihazları
● Mikrodalga cihazları
● Jeneratörlerde süper iletken mıknatıslar
● Enerji depolama cihazları
● Sürtünmesiz ulaşım
● Manyetik ayırıcılar
Bir telden geçen elektrik akımı tel çevresinde
bir manyetik alan yaratır.
Manyetik alanın kuvveti telden geçen akım
arttıkça artar.
Süper iletkenler enerji kaybı olmadan büyük
akımlar taşıyabildiğinden kuvvetli elektro
mıknatıs yapmak için ideal malzemelerdir.
Bu sayede çok küçük ve çok güçlü elektro
mıknatıs yapmak mümkündür.
Elektro mıknatıslar
elektro mıknatıslar ● Süperiletkenler kayıp yaşanmadan çok büyük
akımlar taşıyabildiğinden kuvvetli mıknatıslar
yapmak için ideal malzemelerdir.
● Bir süper iletken kritik sıcaklığın altına
soğutulduğunda ve etrafındaki manyetik alan
arttırıldığında, manyetik alan süper iletken
etrafında kalır.
elektro mıknatıslar
tipik Nb3Sn SC mıknatısı
146 A akım ile 10.8 T kuvvetinde bir
manyetik alan oluşturur.
Süper iletkenlerle sarılan jeneratörler çok daha
küçük ekipman ile ayni miktarda elektrik
üretirler.
Elektrik üretildiğinde süper iletken teller
tarafından iletilebilirler.
Enerji, süper iletken bobinlerde ciddi miktarda
kayıp olmaksızın uzun sürelerle depolanabilir.
Güç jeneratörleri
Tıp uygulamaları ● yüksek alan üretebilen süper iletken mıknatıslar
bugün tıpta manyetik rezonans görüntüleme
donanımlarında kullanılmaktadır.
● Vücut dokularında ve organlardaki anomaliler kesit
alan görüntülerinin elde edilmesi ile teşhis
edilebilmektedir.
● Manyetik rezonans spektroskopi (MRS) ile vücut
dokularının kimyasal analizi de mümkündür.
● Süper iletken quantum engelleme cihazları
(superconducting quantum interference device:
SQUIDS) manyetik alan, elektrik akım ve voltajlarda
son derece küçük değişimleri ölçebilen cihazlar.
Manyetik rezonans
Görüntüleme
Nukleer manyetik
Rezonans Spektroskopi
MRI tarayıcılarında
süperiletkenler
kullanır.
Manyetik görüntüleme
Manyetik görüntüleme
İnsan beyninin nükleer manyetik rezonans (NMR) tekniği ile süperiletken bir mıknatıs
tarafından oluşturulan manyetik alanda görüntülenmesi
Nöro-manyetik sinyallerin SQUID tekniği ile ölçülmesi
SQUIDs Yerkürenin manyetik alanının milyonda biri kadar olan
alanları yakalar: kalp kaslarındaki akımlar bile ölçülebilir.
Süper iletkenlik uygulamaları
● Elektrik güç dağıtımının süper iletkenlerle
yapılması-güç kayıpları çok az olur ve donanımlar
böylece düşük voltaj seviyelerinde çalışır.
● Yüksek enerjili partikül hızlandırıcıları için
mıknatıslar
● Bilgisayarlar için daha yüksek hız sinyal gönderme
kabiliyeti
Süperiletken kablo. Sıvı azot soğutucu kablonun bir kısmını
oluşturur ve süperiletken telin kritik sıcaklık altında
kalmasını sağlar. Bu kablolar standart kablolara göre yer
ihtiyacını kat ve kat azaltır.
enerji nakli Süperiletken kablo – bakır tellere göre daha fazla enerji taşır.
enerji nakli
Yüksek akım için düşük gerilim gereksinimi
Daha az yer gereksinimi
Çok daha süratli bilgisayar sinyal iletimi
hesaplama hızlarında ciddi artış
Enerji nakil hatlarında
%15 seviyelerinde
kayıp!
Süperiletkenlerle
taşıma kapasitesinde
100 kat artış imkanı
1000 MW enerji 40 cm
çapında süperiletkenle
taşındı!
enerji nakil hatları
Yüksek hız trenleri manyetik levitasyonla çalışan trenler
raylarla sürtünme sıfırlanıyor.
Böylece hız/konfor artıyor.
Yamanashi MLX01 MagLev treni
Yüksek hız trenleri
Telekomünikasyon ● Süperiletkenker baz istasyonlarında verimli filtre
malzemesi olarak kullanılıyor (bugün dünyada 700
istasyonda)!
● Telefon sinyallerini birbirinden ayırıyor.
● Elektriksel direnç yüzünden geleneksel filtre
malzemeleri sinyallin bir kısmını kaybediyor.
Süper iletken ekipmanların ekonomik etkisi ● faydalar
● Daha yüksek yoğunluklu nakil kapasitesi ve ● daha yüksek ekonomik üretkenlik ● Azaltılmış çevre etkisi
● endüstriyel ● daha ekonomik endüstriyel prosesler:
● İmalat ve enerji üretimi ● Elektrik enerji depolama, nakil ve genişleme
● ulaşım ● Daha ekonomik elektrik nakli ● Yüksek hız ve MAGLEV tren teknolojileri ● Elektrikli otomobil ve otobüs ● gemi
özet Süper iletkenlik
● mutlak sıfır derece yakınlarında malzemelerin elektrik
direnci kaybolur. Bu koşullarda iletkenlik süper olarak
adlandırılır.
● süper iletkenlik, sıcaklık, manyetik alan ve akım
yoğunluğu kritik değerlerin üstüne çıkarsa kaybolur.
● Tip I süper iletkenler için, manyetik alan itme kapasitesi
kritik bir sıcaklığın altında eksiksizdir. Alan nüfuziyeti
kritik alan, Hc, aşıldığında tamamlanır.
● Tip II malzemelerde bu nüfuziyet artan manyetik alan ile
kademeli olarak artar.
● yüksek kritik sıcaklıklara sahip yeni seramik malzemeler
geliştirilmektedir. Bu malzemeleri sıvı azotla kullanmak
mümkün olduğu için uygulama alanları da artacaktır.