МОЋ СУПЕРПРОВОДНОСТИ (1)

Уколико се суперпроводник стави у спољње магнетно поље он ће га у потпуности истиснути до једне границе када магнетно поље постане толико јако да уништи саму суперпроводност. Успут ово нас води до сада једине научно признате левитације у природи. Практично истискујући у потпуности магнетно поље из себе, магнет у близини суперпроводника као да ће видети свој „лик у огледалу” што ће га довести у положај равнотеже.

Данило Николић

Замислимо један проводник. Интуитивном анализом (и прављењем аналогије рецимо са током реке дуж речног корита) можемо доћи до тога да се његов отпор повећава са повећањем дужине, док се смањује са повећањем попречног пресека. Претпоставимо да је отпорност ефективно трење које успорава ток електрона. Јасно нам је да што је проводник дужи то успоравање захваљујући трењу ће дуже трајати, што ће ефективно повећати отпорност нашег проводника. Са друге стране, уколико замислимо да имамо ток реке, свако од нас ко је некада био у природи зна да су реке често спорије од потока.

Шта бисте рекли ако бих вам саопштио
да грејања не мора бити? Да, магија
квантне механике нам то омогућава.

Наравно један од разлога је и нагиб терена, што ћемо касније увести у игру, а други је свакако ширина корита. Реке са ширим коритима су спорије од оних са ужима. Уколико искористимо ове лепе аналогије са током реке можемо закључити оно са почетка текста. Отпорност неког материјала је пропорционална дужини (L) и обрнуто пропорционална попречном пресеку проводника (S). Наравно, као и све у физици, ове величине су повезане одређеном константом пропорционалности која карактерише сам материјал ()

Дакле, можемо закључити на основу ове једноставне анализе да сваки материјал поседује одређену отпорност, односно да ток електрона у сваком проводнику трпи неко „трење”.

Омов закон

Оно што је за нас битно јесте како укључити и „нагиб терена”. Дакле, неопходно нам је да одредимо брзину тока знајући геометрију корита, као и нагиб терена. У теорији проводности нагиб терена ћемо звати напон (U) док ће се брзина звати јачина електричне струје (I). Веза међу њима описана је чак и основцима позната под Омовим законом који нам каже да је јачина електричне струје пропорционална напону, а обрнуто пропорционална отпору.

Уколико се држимо наше аналогије са речним током и ова формула има прилично разумљиву интерпретацију. Дакле, брзина је пропорционална свакако нагибу терена док је успорава отпорност коју тај терен чини, као и геометрија самог речног корита. Занимљиво је да иако је врло једноставна горња формула у великој мери лежи у основама читаве електротехнике и омогућава нам разумевање преноса електричне енергије. Што значи да нико нас не може преварити приликом плаћања рачуна за струју. Међутим, природа крије своје тајне и није тако једноставна и предвидива, као и уосталом и рачуни за струју код нас.

Претходна анализа се тиче најпростијих модела класичне електродинамике. Оно што данас више привлачи нашу пажњу јесте физички опис квантних система, где се ствари мало компликују често измичући нашој интуицији коју смо применили од почетка овог нашег путешествија. Наш резон је пошао од тога да електроне посматрамо као флуид, односно као неку лепу планинску речицу каквих рецимо имамо десетине на Голији. Међутим, да ли је то добар резон? Одговор је као и увек негде између – да и не. А зашто видећемо у даљем тексту.

Успут желим да напоменем да је теорија флуида у својој пуној формулацији штавише компликованија од квантне механике, али да не бисмо ишли превише у ширину покушаћемо да пратимо основну идеју, односно магију квантне механике манифестовану у једном од најбитнијих и најзанимљивијих феномена у природи – суперпроводности.

Нулта отпорност

Уколико користимо лаптоп неколико година, приметићемо да се греје и да мора да се носи на хлађење. Сличну ствар можемо приметити код миксера или, наравно, код шпорета где је то и најбитнија ствар. Међутим, природно је поставити питање одакле грејање у електричним системима? Уколико се вратимо на почетак наше скаске видимо да неко трење успорава наш речни ток. Али оно чега се нисмо дотакли јесте чињеница да наша речица има неку почетну енергију која је садржана у томе што речица креће свој ток са неког врха на Голији (потенцијална енергија). Такође због свог кретања она има одређену кинетичку енергију, међутим уколико бисмо измерили те ствари дошли бисмо до закључка да оне нису исте. Ефективно енергија кретања је нижа. Знајући да се енергија у природи очува, негде морамо сместити ту разлику. Где би то могло бити? Да, погодили сте. Разлика се губи у трењу.

У језику физике бисмо рекли рад силе трења је већи од нуле. Уколико бисмо и то урачунали у наше калкулације добили бисмо да је укупна енергија константна у сваком тренутку. Дакле, трење које постоји доприноси да се део енергије губи на савлађивање истог, што се у нашим кућним апаратима манифестује као топлота. Као што смо видели, топлота је негде и пожељна, рецимо у шпорету изузев ако вам бака и даље користи доброг старог „смедеревца”. Међутим, негде нас топлота помало и нервира, рецимо у нашим лаптоповима и телефонима. Шта бисте рекли ако бих вам саопштио да грејања не мора бити? Да, магија квантне механике нам то омогућава.

Уколико сте се питали како одређени
(маглев) возови постижу огромне брзине,
одговор лежи у Мајснеровом ефекту,
они практично левитирају чиме се
заобилази трење са шинама.

Холандски физичар и добитник Нобелове награде за физику, Хејке Камерлинг Онес, открива 1912. да на довољно ниским температурама отпорност живе иде егзактно у нулу. Међутим, како то бива у животу све се мора платити па и огромна енергија да се жива охлади на довољно ниске температуре од само 4К (око -270°С!). Геније какав је Онес, није био обесхрабрен задатком који је морао да реши и на крају је успео.

Камерлинг Онес и чувени график пада отпорности живе на Т=4.2 К нацртан његовом руком (tikalon.com)

Међутим оно што је постало још занимљивије јесте чињеница да суперпроводност није само нулта отпорност (идеална проводност), она је уз то и идеална дијамагнетичност која се огледа у тзв. Мајснеровом ефекту. Уколико се суперпроводник стави у спољње магнетно поље он ће га у потпуности истиснути до једне границе када магнетно поље постане толико јако да уништи саму суперпроводност. Успут ово нас води до сада једине научно признате левитације у природи. Практично истискујући у потпуности магнетно поље из себе, магнет у близини суперпроводника као да ће видети свој „лик у огледалу” што ће га довести у положај равнотеже.

Маглев (Википедија)

Уколико сте се питали како одређени (маглев) возови постижу огромне брзине, одговор лежи у Мајснеровом ефекту, они практично левитирају чиме се заобилази трење са шинама. Иако инструменти могу да мере коначно мале отпорности у циљу доказа да је отпорност заиста нула тридесетих година је спроведен експеримент у коме је годинама одржавана перманентна струја у суперпроводнику без спољњег напона и која свој интензитет није смањивала. Занимљив података је да је експеримент прекинут због штрајка радника у фабрици која је производила течни хелијум за хлађење апаратуре.

Убрзо након овог открића научници су се запитали – зашто? Чак је 45 година било потребно да би се дао одговор на ово питање. А о томе ћемо у другом делу наше бајке о суперпроводности у следећем броју „Галаксије”.