Pras blogja

Műszaki alkalmazások és jelenségek egyszerűen - 1. rész: Szupravezetés

Pras | 2009.03.04. 19:21 | kategória: Műszaki ámokfutás

Kedves Olvasóm!

Mint azt – felteszem – tőlem megszoktattad, ismét egy roppant elborult ötletem támadt. Elsősorban az inspirált (hogy ilyen remek szóhasználatot ellőhessek valahol. …szóval, az inspirált), hogy napjainkban számos olyan műszaki eredménnyel találkozhatunk, ami az „átlagember” látókörét is szélesítheti, de olykor csak kétféleképp találkozhat vele: Vagy sehogy, vagy egyetemi szinten. Esetleg innen-onnan összeszedhető pár dolog „bulvárjelleggel”, de egyszerűen, mégis korrekten és átfogóan nemigen lehet találkozni vele. Ami valahol érthető is, hiszen az ember vagy szórakozik, vagy tanul. Sokszor kerültem már olyan helyzetbe viszont, amikor egy érdeklődő „kívülálló” a szakmámon keresztül valaminek a magyarázatát „kérte számon” rajtam, mert érdekelte a dolog, noha nem kívánt mélyebben belefolyni. Kezdődő sorozatommal (ami, szokás szerint egyelőre nem tudom, hova fog kilyukadni, egyelőre kísérleti jelleggel dobom fel ezt a bejegyzést) megpróbálok tehát ebbe az állóvízbe pofátlanul és fél-laikusan belerúgni és kicsit beleásni a dolgokba – közérthetően, „kocsmaműveltségi” szinten. Igyekszem olyan témákat választani, amivel vagy már találkozhattatok, vagy hallottatok róla, de a magyarázat sűrűn nem kézenfekvő. Első témámmal merészen meg is próbálok belecsapni a lecsóba: a szupravezetés jelenségét választottam. Bízom abban, hogy ha érdekel a téma, sikerül rávilágítanom pár dologra, egyenletek és függvények nélkül (Joggal lehet kérdezni, na de milyen tudomány az ilyen? Válaszolok: Semmilyen, ugyanis nem annak szánom. :) Nem a tudomány módszertanával kívánok levezetni dolgokat, hanem pusztán…), …fenomenologikus szinten, azaz a jelenséggel magával „dolgozva” próbálok eljutni valahová, egyszerű ok-okozati kapcsolatokat felhasználva. Ebből kifolyólag amit leírok, az nyugodt szívvel minősíthető értéktelennek. …mert az. Szerencse, hogy célom nem is vág egybe ezzel. :) Amivel egybevág, ennyi: Dőlj hátra, olvass, és amikor felnézel a monitorból, közölhesd: „Áháá!”

Zéró ellenállás: a kézzelfogható, létező szélsőség

Nyilván hallottál már a szupravezetés jelenségéről innen-onnan. Többek között az LHC elektromágnesei is szupravezető elemek, a hűtőfolyadék-szivárgás ezeket vágta haza kíméletlen módon. Buta hiba. Felvetődhet a kérdés: Ha a szupravezető mágnesek igen komoly hűtést igényelnek, miért alkalmazzuk őket? A válasz csekély fizika: mindannyian ismerjük Ohm törvényét, de legalábbis el tudjuk képzelni, hogy az ellenállás akadályozza az áramot. Az áram hatására pedig egy elektromágnesben indukált elektromágneses tér jön létre. Más szóval: Mágnest csináltunk. Ha viszont az ellenállást „kivesszük” a képletből, semmi nem áll az elektronfelhő útjában, folyományaképp olyan erős mágneses tereket tudunk létrehozni, amelyet semmilyen más, hagyományos elektro-, vagy ritkaföldfém-mágnessel nem tudnánk! Pontosan olyan erős mágneseket kapunk, amely képes pozícionálni egy közel fénysebességgel száguldó részecskét akár egy részecskegyorsítóban, akár egy tóruszos fúziós reaktorban – vagy például egy mágnesvonatot! Ennél sokkal nagyobb potenciál is rejlik persze a szupravezetőkben, de ezek megértéséhez először is meg kell ismerkednünk a jelenséggel, ahhoz pedig mindenekelőtt és egyátalán létre kell hoznunk a jelenséget!

Fagyasztás tejes kancsóból

Kezdésképpen „hideget kell csinálnunk”. És itt most nem a fagyasztóládára kell gondolni, hanem például -196,15 Celsius-fokra (77 Kelvin). Ezt – szerencsére Földünkön nagy tömegben megtalálható, így viszonylag olcsón (kb. 200-300 forint litere) előállítható – cseppfolyós nitrogénnel viszonylag egyszerűen megtehetjük. A nitrogén egy remek anyag, ugyanis a több, mint 200 fokos hőmérséklet-különbség ellenére is folyékony állapotban nagyon lassan forr el, ha a tartóedényt „lefagyasztotta”. Ezért nyugodtan kitölthetjük például műanyag tányérba, burogatható termosztátból, noha forrni fog, attól még ott fog lötyögni nekünk. Megjegyzendő, hogy a hőmérséklet-különbség miatt ha a bőrünkhöz ér, azonnal elforr, de ha valahol megülne a testünkön, nagyon csúnya, égési jellegű sérülést okoz. Emiatt nem érdemes pár másodpercnél tovább pancsolni a nitrogénben puszta kézzel, és végképp nem érdemes nitrogénnel fagyasztott tárgyakat, elsősorban fémeket tapogatni, ugyanis azonnal hozzáfagy a kezünkhöz. Ha ez sem volna elég valami miatt, úgy például alkalmazhatjuk a problémásabb folyékony héliumot, amely forráspontja az abszolút nullától már csak 4,2 fokra van pozitív irányban, azaz folyadékállapotában ilyen hőmérsékletre hűt. Tény az is, hogy a padlóra burogatva a nitrogén remekül szed (pontosabban: terel) össze jóformán bármilyen koszt, tehát takarítani is érdemes vele, bár kissé költséges.
Amit eddig csináltunk, az tehát a baromi hideg. De miért volt erre szükségünk?

Mozgás a jégvilágban

Mindannyiunk előtt ismert az ellenállás hőmérséklet-függése. Elénk kerülhet az a magyarázat, hogy a hőközlés során az anyag „részecskéi egyre jobban rezegni kezdenek”. Gondolkodjunk el viszont: Mi történik akkor, ha abszolút nullára hűtenénk az anyagot? (Itt mindenképpen tartozom azzal a megjegyzéssel, hogy a fizika jelenlegi állása több megközelítésből is tiltja az abszolút nulla fok elérését, így gondolkodásunk tényleg csak gondolatkísérlet.) Leállna a molekulák mozgása? Gyakorlatilag megfagynának! Ez magyarázat lehetne az ellenállás eltűnésére. (Dewar elképzelése, 1904) De gondoljuk tovább! …és az elektronok? Azok mitől mozognának továbbra is…? Nem éppen végtelen kellene, hogy legyen az ellenállás, akár egy befagyott vízcsap, amelyet képtelenség megnyitni? (Kelvin, 1902) Belőhetjük még a kettő közé a dolgot, azaz az ellenállás igen lecsökken, de nem szűnik meg teljesen. (Mathiessen, 1864!) A valóságban a nem szupravezető anyagok karakterisztikáját ez, a legutóbbi elképzelés ragadja meg nagyjából. A szupravezető anyagok ellenállása viszont tényleg nulla (Pontosabban, legyünk akkor már precízek: A legpontosabb műszer, mellyel mérni lehetett, 10 a mínusz ötödiken Ohm feloldással bírt. Ez azt jelenti, hogy ez a legkisebb érték, amelynél már „bemozdul a mutató”. Ez a mérés során nem történt meg, tehát ezen érték alatt kell, hogy legyen az ellenállás gyakorlati szempontból, amennyiben van. …van egyébként gyakorlatilag, hogy miért, arra is ki fogok térni. Maga a jelenség, elvi szempontból viszont valóban zéró ellenállással dolgozik.), ezt nem magyarázhatjuk meg a fenti modellünkkel. Valami más kell, hogy legyen a magyarázat.

Valójában az anyag szupravezető-volta kvantum(=elemi részecske)-, egész pontosan elektron-állapot! Ekkor ugyanis lecsökkennek az anyag rács-rezgései a hideg miatt, persze nem nullára. Az elektronok ebben a lazán mozgó rácsban haladnak, és – negatív töltésükkel – „összehúzzák” ezeket. A rögtön ezt követő elektront viszont ez az összehúzott, pozitív töltésű rács „megrántja”. Ekkor, noha természetesen mindkét elektron negatív töltésű és így villamosan taszítják egymást, közöttük vonzóerő(!) is ébred, méghozzá akkora, amely elegendő a két elektron „összetartására”. Ezek az úgynevezett Cooper-párok, ez az oka annak, hogy a szupravezető anyagokban az elemi töltéshordozó nem egy, hanem két elektron! Ugyancsak ez az oka annak, hogy a szupravezetésnek és a „hagyományos” villamos vezetésnek semmi köze nincs egymáshoz, ez két, egymástól gyökeresen eltérő jelenség. A jó szupravezető anyagok szobahőmérsékleten jellemzően szigetelők, de lehűtve őket állapotot váltanak: szupravezetnek. (Az iparban valójában alkalmazott szupravezetőknél, amelyek magasabb hőmérsékleten is már szupravezetnek, nem ilyen egyszerű a helyzet, de erre ebben a bejegyzésben nem térnék ki.) Ide szúrnám be a már elejtett megjegyzést, hogy miért nem tökéletesen: Többnyire ezek az anyagok kerámiafélék, amelyeket kristályosítással gyártanak. Amennyiben nem egykristály maga a szupravezető termék, hanem több apró, úgynevezett krisztallitból áll (Talán próbálkoztatok már otthon sókristályok kicsapatásával? Valami hasonlót képzeljetek el, hogy a kristályokat szorosan egymás mellé helyezitek, akár egy terméskő-falú ház esetében), úgy ezeken a kicsiny kristályok határain szükségképpen veszteség, tehát ellenállás keletkezik. De - mint látható volt feljebb - ez is gyakorlatilag mérhetetlen nagyságrendű. Azt is fontos leszögezni, hogy csak egyenáram esetén beszélhetünk elvi síkon veszteségmentes áramlásról. Váltakozó áram esetén van ellenállás, sőt, bizonyos frekvencia fölött normál vezető állapotba megy át a szupravezető – ha vezet egyáltalán hagyományosan. Ha nem, úgy természetesen szigetel.

Szétbarmolni a szupravezetést!

Más módszerekkel is elérhető viszont, hogy az anyag átlépje a normál-, és a szupravezetés határát. Mint láttuk, az egyik ilyen feltétel a hőmérséklet. Képzeljünk el egy Descartes-féle koordináta-rendszert! Ennek egyik tengelye lesz a hőmérséklet. A másik tengelyre mi kerülhet…? Oda a mágneses tér fog kerülni. =) Egy bizonyos erősségű mágneses térben a szupravezető szintén visszalép normál, „hétköznapi” állapotába, mintha megszüntetnénk a hűtést. Józan ésszel, mint a fizika oly sok területén, azt mondhatnánk, választhatunk: Vagy az egyik, vagy a másik. Azaz: Vagy kicsit hűtünk, de akkor alig mágnesezgethetünk, vagy piszkálhatjuk a szupravezetőnket mágnessel, de akkor igen le kell hűtenünk. Ez valamelyest így is van, de a görbe, az egymástól való függés nem hiper-, hanem parabolikus. Azaz képére nézve hasonlít egy megfordított, y tengelyre helyezett maximumú másodfokú függvényhez. Tekintve, hogy a gyakorlati tapasztalat által felírt egyenlet képe pontosan, hogy az is. Tehát szupravezetőnk szerencsére (szinte anyagtól függetlenül mind) jól bírja a behatásokat, csupán a szélsőséges értékek felé kezd „lepadlózni”. (A gyakorlatban alkalmazott szupravezetők esetén egy harmadik koordináta képében megjelenik a szupravezető által szállított, ún. „transzportáram” és a szupravezető által keltett „árnyékoló áram” (erről lentebb lesz szó) áramsűrűsége is (hiszen a mágneses és az elektromos tér nem igazán „szakítható el” egymástól valójában), így a szupravezetéshez három feltételt kell teljesítenünk, három dolog kritikus értéke alatt kell mozognunk. Ez a térbeli koordináta-rendszerben egy „nyolcad-tojás” héja alatti mozgást jelent.) Bizonyos más energiaközléssel is lehet szórakozni persze, például nagy intenzitású fénnyel vagy radioaktivitással, de ezek konkrét hatásairól mindezidáig nincs konkrétabb tudomásom, minthogy befolyásolhatják a szupvez. állapotot.

Szupravezetés versus ideális „hagyományos” vezetés

Szó volt róla, hogy a szupravezetés egy gyökeresen más elv alapján működik, mint a „megfagyasztott fémrácsú, szabadon rohangáló elektronok” elvén a tökéletes villamos vezetés. Ezért más különbségek is adódnak! Ha egy „tökéletes vezetőt” (képzeljük például egy ellenállásmentes rézdrótnak, noha ez így persze baromság) lehűtünk mágneses térbe helyezve, a térben semmilyen változást nem tapasztalunk. Ha viszont egy szupravezetőt hűtünk le mágneses térben, amint a szupvez. anyag átlép a normál állapotból, azonnal kiszorítja a mágneses fluxust a belsejéből. Hogyan teszi mindezt? Nos, ha emlékszünk Lenz-törvényére, valami hasonló zajlik le itt is. A szupravezető felületén a mágneses tér hatására áram indukálódik, ami pontosan akkora lesz, ami akkora indukált mágneses teret hoz létre, ami kioltja a külső mágneses teret. Nagyon hülye és fizikailag tökéletesen fals példával élve – de jobb hirtelenjében nem jutott eszembe :) – ez valami olyan, mintha igen szeles időben a hátunk mögé beraknánk egy szélgépet, ami pontosan olyan erővel fúj, hogy „rajtunk” álljon a levegő. Ezt teszi a szupravezető is. Lehet trükközni! Cseles ember azt teszi, hogy normál állapotában teszi mágneses térben. Ekkor persze a mágneses erővonalak – a fluxus, korrektebben – gond nélkül áthatol a szupravezetőn (ami ekkor még nem szupravezet). Most hűtsük le! Amint átlép szuprvezető állapotba (figyelmes Olvasóim bizonyára belegondoltak, hogy az előző bekezdés alapján ehhez most jobban le kell hűtenünk, mintha nem mágneses térben tennénk ezt, hiszen a mágneses tér is „zavarja” a szupravezetést.) megint ledobja magáról a mágnesességet. …olyannyira, hogy ha szupravezetőből egy tölcsért készítünk, lehűtjük, és ebbe bele akarunk dobni egy mágnest, nem fog leesni. Lebegni fog! (A gyakorlatban alkalmazott, ún. II. típusú szupravezetők esetében kicsit más elv érvényesül. Abba, ha „belenyomjuk” a fluxust, sík felületű szupravezető fölött is lebegni fog a mágnes! Jelenlegi tudásunk alapján ezt semmilyen egyéb módon nem érhetjük el. Olvasóm is nyilván próbálkozott már ferromágnesekkel: nincs „nyugvásuk”. Vagy egymáshoz rántják magukat, vagy eltaszítják egymást.) Ezt úgy hívjuk, hogy a szupravezető tökéletes diamágnes.
Összefoglalva tehát, a szupravezetőkben időben állandó mágneses terek esetén is létrejönnek indukált áramok, a bizonyos árnyékoló áramok, melyek a belsejükben a mágneses fluxus nullitását biztosítják. Ez első blikkre ellenkezik a Maxwell-törvényekkel, de nem sokkal később rájöttek, hogy ez a jelenség gond nélkül illeszthető az „ismert fizikába”, sőt, következik abból.
Érdemes abba is belegondolni, hogy ebben a – fent említett – „szupravezető tölcsérben” a beleejtett mágnes meddig lebeghet. …nos, mivel a szupravezetőben létrejövő árnyékoló áramok útjában nem áll semmi kimutatható ellenállás – ezért „szupra”vezető – , ezért nyugodt szívvel kijelenthetjük, hogy emberi mércével felfoghatatlan ideig. Elvi szinten ugyanis „örök ideig”. Volt is egy ilyen kísérlet – fejből meg nem mondom, melyik külföldi egyetemen – amelynek keretében három évig lebegtettek egy szupravezető felett egy mágnest, és közben nem tapasztalták, hogy a szupravezetőben keringő áramok csökkennének! (Azért csupán három évig folyt a kísérlet egyébként, mert aznap az éppen ügyeletes laborasszisztens egyszerűen elfelejtette utántölteni a folyékony nitrogént. A nitrogén elforrt persze, a hőmérséklet megemelkedett, a szupravezető visszament normál állapotába, a mágnes pedig szépen leesett. Kíváncsi volnék, hogy hogyan ölték meg ezt követően a szerencsétlent, ha egyáltalán nem kapott ott helyben infarktust…)

Szép az elv, de más a gyakorlat… egyátalán, mi a gyakorlat?

Ha belegondolunk, egy sor fantasztikus alkalmazás születhetne a szupravezetőkkel. A fent említetteken kívül megemlíteném (de nem mennék bele mélyebben), hogy egyenáramú transzformátor(!!) hozható létre segítségével, avagy például energiatároló, melyből lényegi veszteség nélkül tudunk kinyerni, egyátalán, beletolni villamos energiát. Ha belegondolunk, hogy egy szupravezető szolenoidot (tekercset) vagy gyűrűt sorbakötünk egy „hagyományos” rendszerrel, ismét érdekes dolgot kapunk. Ha a hagyományos rendszerben rövidzárlat keletkezik, vagy akár csak túlzottan megnöveljük az áramot, az át fog folyni a szupravezető gyűrűkön is. Ez az áramsűrűség elegendő ahhoz, hogy taccsra vágja a szupravezető állapotot, így azonnal hatalmas ellenállás ébred itt. Eddig véglis egy baromi drága biztosítékot kaptunk. Ekkor viszont „leáll” az áram, tehát a szupravezetés körülményei ismét adottak. Így az ellenállás megszűnik, ismét marha nagy áram fog átfolyni rajta… és kapunk egy fluktuációt. Ha figyelembe vesszük, hogy a gyakorlati szupravezető nem így viselkedik, különösebb kifejtés nélkül a „Hanem hogy?”-ra (Mivel bele kellene mennem a II. típusba, elképzelhető, hogy lövök majd neki egy külön bejegyzést) egy olyan eszközt kapunk, amely az áramot korlátozza. Azaz: maximálja! Ezek mind-mind remek lehetőségek …volnának. Az egyik, és legfontosabb probléma a hőmérséklet. Ezek a rendszerek brutális hideget, ebből kifolyólag szeparációt és drága, bonyolult hűtést igényelnek. Ha ez nem lenne elég, hozzá kell tennünk azt is, hogy a fagyott szupravezető anyag, és a „közönséges” villanydrót kapcsolata eléggé plátói, nehezen kezelhető. Magával a szupravezető anyaggal is vannak problémák, az árán kívül persze. Többek között, pocsék hővezető, és igen érzékeny a hőmérsékletváltozásra, anyagának szerkezete miatt ugyanis nem képes jól elvezetni a benne ébredő feszültségeket. Képes akár szobahőmérsékleten az őt megfogó kéz melegére is elrepedni. (Ez főleg a bizmutos szupravezetőknél szokott vicces perceket okozni.) Gyártásuk az ártól függetlenül is bonyolult, és a szupravezető termékek méretei korlátozottak.
Kijelenthetjük tehát, hogy noha szédületes potenciál rejlik egy „ellenállás nélküli világban” (csak hogy a fentieken túl a legtriviálisabbat említsem: Ki lehet dobni a francba az összes transzformátorházat. Nyugodtan lehet kis feszültségen szállítani az áramot, ha egyszer nincs ellenállás.), de az igazi – pontosabban: az egyetlen – áttörést csak az hozhatná meg, ha olyan anyag(ok)ra bukkannánk, amely már szobahőmérsékleten is szupravezető, nem igényel (legalábbis komolyabb) hűtést. Fontos leszögezni, hogy ilyen anyag létezésének semmilyen elvi akadálya nincs. Bízzunk benne, hogy – minél rövidebb – idő kérdése „pusztán”. És persze bízzunk abban is, hogy az emberiség bölcsebben fogja felhasználni a természet ezen csodáját, mint például a repülőgépet, vagy az atomenergiát. …naiv gondolat, persze. :)

A kép egy szumóbirkózó csávót ábrázol, aki éppen egy mágneskorongon áll, bemutatva a szupravezető által keltett mágneses tér brutális erejű STABIL lebegtető hatását. Hölgyeim és Uraim, a levitáció LÉTEZIK! =)
Az alábbi videón pedig a II. típusú szupravezető lebegtetési kísérletét láthatjátok. A vágást a videón azért találjátok, mert a szupravezető rossz hővezető képessége miatt időbe telik, míg lehűl, majd ezt követően a mágnes (áldalában neodímium) fluxusát „bele is kell nyomni” a szupravezetőbe, amely „befagy” abba. Mintha cérnaszálakat fagyasztanátok egy jégkockába. Az angol szakszó erre egyéként pontosan ez, „frozen-in flux” :)

Nos, remélem, sikerült valamelyest újat mondanom, és hozzájárulnom világunk jobb megismeréséhez! ...ennek függvényében jelentkezem a (nem közel-) jövőben ismét valami olyan témával, amely érdeklődésre tarthat számot. Talán. =)

Utolsó módosítás: 2009.03.05. 14:31

Hozzászólások

1 | powerhouse 2009.03.05. 13:40
Beteg, de jó ötlet! :D Engem érdekelnek az ilyen-olyan műszaki témák, egy olvasót szereztél magadnak.

2 | Pras 2009.03.05. 18:20
Ennek örülök. =) Majd még összerakom a fejemben a dolgokat, mert többek között műszaki állatságokkal kapcsolatban lehet írni műhelyek/gyárak brutális mellélövéseiről is, de a mindennapok hülye kérdéseiről is (Mié' nyikorog az ajtó, fizikai háttérrel? :D ). A következő meg megint valami könnyedebb téma lesz. =)

3 | LordMatteo 2009.03.06. 13:20
WOW :-)

Most volt időm elolvasni, jó kis bejegyzés lett :-) Én amúgyis szoktalak olvasni, szóval most duplán az olvasód lettem :-D

4 | Pras 2009.03.07. 13:07
Köszönöm! =} Általában úgy állok neki, hogy "Na, ez most tényleg rövid lesz, ne riasszuk el az embereket", aztán átolvasom, fejben "korrekturálom és lektorálom", feltöltöm, végül mindig hátrahőkölök, hogy "Hátteppicit sok lett". :D

5 | LordMatteo 2009.03.07. 19:19
Előre félek a Don kanyar kiértékelésétől :D

6 | Pras 2009.03.07. 20:31
Hát, öö... nem mintha nem lenne rá okod. :DDD
Csak aztán a szakdoga is így menjen majd... ^^

A blogokban szereplő bejegyzések és hozzászólások a felhasználók saját véleményét tükrözik.
Fenntartjuk a jogot, hogy az illegális tevékenységgel kapcsolatos vagy offenzív jellegű, valamint nem blogba való bejegyzéseket, hozzászólásokat előzetes figyelmeztetés nélkül töröljük.