KVANTNI PREPLETAJI

MOĆ SUPERPROVODNOSTI (1)

1.163 pregleda

Ukoliko se superprovodnik stavi u spoljnje magnetno polje on će ga u potpunosti istisnuti do jedne granice kada magnetno polje postane toliko jako da uništi samu superprovodnost. Usput ovo nas vodi do sada jedine naučno priznate levitacije u prirodi. Praktično istiskujući u potpunosti magnetno polje iz sebe, magnet u blizini superprovodnika kao da će videti svoj „lik u ogledalu” što će ga dovesti u položaj ravnoteže.

Danilo Nikolić

Zamislimo jedan provodnik. Intuitivnom analizom (i pravljenjem analogije recimo sa tokom reke duž rečnog korita) možemo doći do toga da se njegov otpor povećava sa povećanjem dužine, dok se smanjuje sa povećanjem poprečnog preseka. Pretpostavimo da je otpornost efektivno trenje koje usporava tok elektrona. Jasno nam je da što je provodnik duži to usporavanje zahvaljujući trenju će duže trajati, što će efektivno povećati otpornost našeg provodnika. Sa druge strane, ukoliko zamislimo da imamo tok reke, svako od nas ko je nekada bio u prirodi zna da su reke često sporije od potoka.

Šta biste rekli ako bih vam saopštio
da grejanja ne mora biti? Da, magija
kvantne mehanike nam to omogućava.

Naravno jedan od razloga je i nagib terena, što ćemo kasnije uvesti u igru, a drugi je svakako širina korita. Reke sa širim koritima su sporije od onih sa užima. Ukoliko iskoristimo ove lepe analogije sa tokom reke možemo zaključiti ono sa početka teksta. Otpornost nekog materijala je proporcionalna dužini (L) i obrnuto proporcionalna poprečnom preseku provodnika (S). Naravno, kao i sve u fizici, ove veličine su povezane određenom konstantom proporcionalnosti koja karakteriše sam materijal ()

Dakle, možemo zaključiti na osnovu ove jednostavne analize da svaki materijal poseduje određenu otpornost, odnosno da tok elektrona u svakom provodniku trpi neko „trenje”.

Omov zakon

Ono što je za nas bitno jeste kako uključiti i „nagib terena”. Dakle, neophodno nam je da odredimo brzinu toka znajući geometriju korita, kao i nagib terena. U teoriji provodnosti nagib terena ćemo zvati napon (U) dok će se brzina zvati jačina električne struje (I). Veza među njima opisana je čak i osnovcima poznata pod Omovim zakonom koji nam kaže da je jačina električne struje proporcionalna naponu, a obrnuto proporcionalna otporu.

Ukoliko se držimo naše analogije sa rečnim tokom i ova formula ima prilično razumljivu interpretaciju. Dakle, brzina je proporcionalna svakako nagibu terena dok je usporava otpornost koju taj teren čini, kao i geometrija samog rečnog korita. Zanimljivo je da iako je vrlo jednostavna gornja formula u velikoj meri leži u osnovama čitave elektrotehnike i omogućava nam razumevanje prenosa električne energije. Što znači da niko nas ne može prevariti prilikom plaćanja računa za struju. Međutim, priroda krije svoje tajne i nije tako jednostavna i predvidiva, kao i uostalom i računi za struju kod nas.

Prethodna analiza se tiče najprostijih modela klasične elektrodinamike. Ono što danas više privlači našu pažnju jeste fizički opis kvantnih sistema, gde se stvari malo komplikuju često izmičući našoj intuiciji koju smo primenili od početka ovog našeg putešestvija. Naš rezon je pošao od toga da elektrone posmatramo kao fluid, odnosno kao neku lepu planinsku rečicu kakvih recimo imamo desetine na Goliji. Međutim, da li je to dobar rezon? Odgovor je kao i uvek negde između – da i ne. A zašto videćemo u daljem tekstu.

Usput želim da napomenem da je teorija fluida u svojoj punoj formulaciji štaviše komplikovanija od kvantne mehanike, ali da ne bismo išli previše u širinu pokušaćemo da pratimo osnovnu ideju, odnosno magiju kvantne mehanike manifestovanu u jednom od najbitnijih i najzanimljivijih fenomena u prirodi – superprovodnosti.

Nulta otpornost

Ukoliko koristimo laptop nekoliko godina, primetićemo da se greje i da mora da se nosi na hlađenje. Sličnu stvar možemo primetiti kod miksera ili, naravno, kod šporeta gde je to i najbitnija stvar. Međutim, prirodno je postaviti pitanje odakle grejanje u električnim sistemima? Ukoliko se vratimo na početak naše skaske vidimo da neko trenje usporava naš rečni tok. Ali ono čega se nismo dotakli jeste činjenica da naša rečica ima neku početnu energiju koja je sadržana u tome što rečica kreće svoj tok sa nekog vrha na Goliji (potencijalna energija). Takođe zbog svog kretanja ona ima određenu kinetičku energiju, međutim ukoliko bismo izmerili te stvari došli bismo do zaključka da one nisu iste. Efektivno energija kretanja je niža. Znajući da se energija u prirodi očuva, negde moramo smestiti tu razliku. Gde bi to moglo biti? Da, pogodili ste. Razlika se gubi u trenju.

U jeziku fizike bismo rekli rad sile trenja je veći od nule. Ukoliko bismo i to uračunali u naše kalkulacije dobili bismo da je ukupna energija konstantna u svakom trenutku. Dakle, trenje koje postoji doprinosi da se deo energije gubi na savlađivanje istog, što se u našim kućnim aparatima manifestuje kao toplota. Kao što smo videli, toplota je negde i poželjna, recimo u šporetu izuzev ako vam baka i dalje koristi dobrog starog „smederevca”. Međutim, negde nas toplota pomalo i nervira, recimo u našim laptopovima i telefonima. Šta biste rekli ako bih vam saopštio da grejanja ne mora biti? Da, magija kvantne mehanike nam to omogućava.

Ukoliko ste se pitali kako određeni
(maglev) vozovi postižu ogromne brzine,
odgovor leži u Majsnerovom efektu,
oni praktično levitiraju čime se
zaobilazi trenje sa šinama.

Holandski fizičar i dobitnik Nobelove nagrade za fiziku, Hejke Kamerling Ones, otkriva 1912. da na dovoljno niskim temperaturama otpornost žive ide egzaktno u nulu. Međutim, kako to biva u životu sve se mora platiti pa i ogromna energija da se živa ohladi na dovoljno niske temperature od samo 4K (oko -270°S!). Genije kakav je Ones, nije bio obeshrabren zadatkom koji je morao da reši i na kraju je uspeo.

Kamerling Ones i čuveni grafik pada otpornosti žive na T=4.2 K nacrtan njegovom rukom (tikalon.com)

Međutim ono što je postalo još zanimljivije jeste činjenica da superprovodnost nije samo nulta otpornost (idealna provodnost), ona je uz to i idealna dijamagnetičnost koja se ogleda u tzv. Majsnerovom efektu. Ukoliko se superprovodnik stavi u spoljnje magnetno polje on će ga u potpunosti istisnuti do jedne granice kada magnetno polje postane toliko jako da uništi samu superprovodnost. Usput ovo nas vodi do sada jedine naučno priznate levitacije u prirodi. Praktično istiskujući u potpunosti magnetno polje iz sebe, magnet u blizini superprovodnika kao da će videti svoj „lik u ogledalu” što će ga dovesti u položaj ravnoteže.

Maglev (Vikipedija)

Ukoliko ste se pitali kako određeni (maglev) vozovi postižu ogromne brzine, odgovor leži u Majsnerovom efektu, oni praktično levitiraju čime se zaobilazi trenje sa šinama. Iako instrumenti mogu da mere konačno male otpornosti u cilju dokaza da je otpornost zaista nula tridesetih godina je sproveden eksperiment u kome je godinama održavana permanentna struja u superprovodniku bez spoljnjeg napona i koja svoj intenzitet nije smanjivala. Zanimljiv podataka je da je eksperiment prekinut zbog štrajka radnika u fabrici koja je proizvodila tečni helijum za hlađenje aparature.

Ubrzo nakon ovog otkrića naučnici su se zapitali – zašto? Čak je 45 godina bilo potrebno da bi se dao odgovor na ovo pitanje. A o tome ćemo u drugom delu naše bajke o superprovodnosti u sledećem broju „Galaksije”.

O autoru

Stanko Stojiljković

1 komentar

  • Odlična analogija, između apstraktnih pojmova kvantne mehanike i objektivnih, čulnih, predstava rečnih tokova. Tako da čitalac lako naslućuje kako zakoni prirode deterministički evoluiraju od mikro ka makro razmerama? Ima neka tajna veza univerzalnosti, za kojom treba tragati.

Ostavite komentar