Levitace magnetu nad supravodičem

Levitace magnetu nad supravodičem

Naše škola zakoupila soupravu umožňující provést pokus dokazující tzv. Meissnerův jev, při kterém dojde k levitaci magnetu nad supravodičem. Tento experiment je zařazen do výuky fyziky třetího ročníku.

Na obrázku vidíme malý stříbrný magnet, který se volně vznáší nad supravodivým diskem umístěným v polystyrénové kádince a chlazeným tekutým dusíkem.

Supravodivost je makroskopický kvantový jev, který byl experimentálně objeven v roce 1911 holandským fyzikem H. K. Onnesem. Tento fyzik zkoumal chování rtuti ochlazené tekutým heliem na teplotu 4 Kelviny (tedy 4 stupně nad absolutní nulou nebo -269 °C) a zjistil, že při této teplotě klesá hodnota elektrického odporu rtuti pod měřitelnou hodnotu. Za tento objev byla Onnesovi v roce 1913 udělena Nobelova cena.

Později byla supravodivost objevena u dalších kovů (olovo při teplotě 7 K, niob při teplotě 9 K).

V roce 1986 byl objeven první keramický supravodič (La,Sr)₂CuO₄, vyrobený z materiálu, který je na normálních teplot elektrickým izolantem! Při dosažení kritické teploty 35 K se tento izolant stává supravodičem.

Náš supravodič je vyroben keramickou technikou  na bázi   YBa₂Cu₃O₇ (plus příměsi) a do supravodivého stavu přechází při dosažení kritické teploty 90 K (-183 °C). K ochlazení supravodiče na tuto teplotu se používá (poměrně dostupný) tekutý dusík, jehož bod varu je 77 K.

Meissnerův jev byl objeven roku 1933 W. Meissnerem a R. Ochsenfeldem. Při tomto jevu dochází k levitaci magnetu umístěného nad supravodičem. Při přiblížení magnetu se totiž mění tok magnetického pole povrchem supravodiče. Tato časová změna magnetického toku indukuje elektrické napětí (Faradayův zákon elmg. indukce) a supravodičem začne procházet elektrický proud. Vtip je v tom, že proud neslábne ztrátami Jouleovým teplem (jako je tomu u běžných vodičů), protože supravodič má nulový odpor. Tento elektrický proud budí magnetické pole, které je orientováno proti směru magnetického pole přibližovaného magnetu (Lenzův zákon). Supravodič se tak vlastně stává elektromagnetem, v jehož magnetickém poli magnet levituje, udržován magnetickou silou. Přitom důležité je, že tato rovnováha je stabilní, každé další malé vychýlení totiž budí v supravodiči další proud a následně magnetické pole, které se brání změně, která ho vyvolala (znovu Lenzův zákon).

Využití supravodičů:

• elektromagnety se supravodivým vinutím jsou schopné budit velmi silné magnetické pole potřebné pro tomografii a experimentální zařízení CERN, JET
• magnetická ložiska pro motory s  frekvencí až 10 000 Hz
• bezztrátový přenos energie je předmětem dalších výzkumů. Kdyby se podařilo objevit materiál supravodivý již při teplotách okolo 20°C, znamenalo by to významnou úsporu elektrické energie.
• Levitující vlak Maglev

Odkazy: 

Supravodivost - Wikipedia

Seznam dalších odkazů (anglicky)

Hybridní magnet 45 T

Foto a text: Ondřej Lev