Upotreba kriogenike u oblasti superprovodljivosti

Heike Kamerlingh Orines (desno) i Gerrit Flim, njegov glavni tehničar, pored likvifajera helijuma u laboratoriji Kamerlingh Onnes u Leidenu, oko 1911.

Meissner Effect (efekat)

 

Kablovi za akcelerator CERN, obe varijante su za struje od 12500A, gornji na slici je klasican provodnik, dole na slici, je superprovodnik

Superprovodljivost - Osnove

Superprovodnost ili superprovodljivost se definiše potpunim nestajanjem električne otpornosti i potpunim odsustvom magnetnog polja u unutrašnjosti tog materijala (Majsnerov efekat). Za superprovodnike se kaže da su idealni provodnici i idealni dijamagnetici. Kao i feromagnetizam, atomske spektralne linije, superprovodljivost se jedino može objasniti kvantnom mehanikom.

Superprovodljivost je otkrivena 1911. godine od strane Kamerlinga Onnes, prilikom pokušaja da se likvificira helijum. Primetio je da žice napravljene od olova, kalaja i žive gube sav otpor ispod određenih temperatura. Na žalost, prvi superprovodnici su bili razočaravajući pošto nisu mogli održati superprovodljivost u području većem od par stotina gausa (zastarela mera magnetne indukcije, zamenjena teslom (T), zemljino magnetno polje ima jačinu oko pola gausa, 1T = 10000 gauss).
Do 1920. godine superprovodnici su bili podeljeni u dve kategorije prema reagovanju na magnetno polje (superprovodljivost može biti izgubljena povećavanjem jačine magnetnog polja u dovoljno jakoj meri), kako ih i danas znamo: tip I, meki (znači ima jednu kritičnu vrednost magnetnog polja iznad kojeg se gubi sva superprovodljivost, a ispod kojeg je magnetno polje potpuno izbačeno iz superprovodnika) , i tip II, tvrdi, (što znači da ima dve kritične vrednosti magnetnog polja, između kojih dopušta delimični prodor magnetnog polja kroz izolovane vrednosti), na osnovu područja na kojima se javlja superprovodljivost. 

Legure otkrivene pedesetih i šezdesetih godina prošlog veka, su omogućile proširenje superprovodljivosti kod malih solenoidnih magneta. Šezdesetih godina prošlog veka, superprovodljivi solenoidni magnet napravljen od strane Kunzler dostigao je magnetnu indukciju od 15 kilogausa. Negde u to vreme su pronađeni niobium titanijum (NbTi) i niobijum 3 kalaj (Nb(3)Sn), ta dva superprovodnika su i danas vodeći materijali za izradu superprovodnih magneta. Nazivaju se superprovodnicima niskih temperatura, pošto moraju da se koriste blizu temperatura tečnog helijuma da bi pri određenim strujama pravili odgovarajuće jako magnetno polje. 

Za razliku od njih moderni superprovodnici visoke temperature (temperature iznad 30K (-243,15°C)), koji su otkriveni 1986. godine se koriste u opsegu od temperatura tečnog vodonika do blizu temperatura tečnog azota. Postoje limitirajući faktori za upotrebu novih superprovodnika, prevashodno cena. Superprovodnici visokih temperatura najviše kao materijal koriste magnezijum diborid (MgB(2)), bizmut stroncijum kalcijum bakar (BSCCo) i barijum bakar oksid retke zemlje (ReBCO) leguru. 

Tri osobine definišu primenjivost superprovodnika, to su kritična temperatura, kritično polje i njihova kritična gustina struje. Reč kritična označava tačku gde se gubi superprovodljivost i povratak na normalno, otporno stanje. Što više superprovodnici rade ispod postavljenih margina to su stabilniji, ali to dovodi do većih troškova.

Upotreba superprovodnih magneta obuhvata širok opseg, od fizike visokih energija, medicine, industrije, vojne primene, do ispitivanja materijala. Najprepoznatljiva upotreba je u snimanju magnetnom rezonancom. Snimanje magnetnom rezonancom upotrebljava jako magnetno polje da uskladi nuklearne spinove atoma vodonika u vodi i masti, pre čemu radio frekventni pulsevi generišu signal, koji se pretvara u sliku ljudskog tela. Industrijska primena obuhvata žarenje silicijumskih pločica u pećima sa jakim magnetnim poljem, magnetno odvajanje feromagnetnih materijala od tečnih ili čvrstih mešavina, i grejanje plazmom fuzionih reaktora. U vojnoj primeni se koristi za superprovodljive motore koji smanjuju težinu i gabarite plovila, milimetarske talasne opsege radara za praćenje na primer kosmičkih krhotina, za ne smrtonosno oružje koje svojim mikrotalasnim frekvencijama iritira neuronske završetke kože. Istraživačka primena ide od pravljenja malih do pravljenja magneta velikih dimenzija.