Gymnázium, Trutnov, Jiráskovo náměstí 325 se sídlem Jiráskovo náměstí 325, 541 01 Trutnov

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.

http://gymnaziumtu.cz/uploaded/Fyzika/Supravodic/1.jpg

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

http://gymnaziumtu.cz/uploaded/Fyzika/Supravodic/2.jpg

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   YBa
2Cu3O7 (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

 


UČITELÉ PŘEDMĚTU FYZIKA


Ivana Červená
Ing. Ondřej Lev, Ph.D.
PaedDr. Libor Turek
Mgr. Miroslav Vítek
Mgr. Jiří Zákoucký