Elektronik ve Teknoloji Merkezi Elektrotekno.com
Elektronik ve Teknoloji Merkezi

Click here to go to the original topic

Elektrotekno.com Ana Sayfa Tezler, Makaleler vb.
Yazar Mesaj
mexfi571
Tarih: 17.09.2005, 15:55 Mesaj konusu: Süperiletkenlik ve Süperiletken malzemeler

SÜPERİLETKENLİK VE SÜPERİLETKEN MALZEMELER

1.Süperiletkenliğin Prensipleri

Süperiletkenlik saf metal,alaşım,oksit ve organiklerden oluşan malzemelerden 1900 yılının başlarından itibaren bulunmaktadır (Şekil-1).Danimarkalı fizikçi H.K. Onnes 1911’de 4,2 K sıcaklığında Hg metalinde süperiletkenliği keşfetti(Şekil-2).Onnes’in bu çalışmalarıyla gerekli koşullar sağlandığında mükemmel diamagnet özellik gösteren ve elektriksel direncin belirli bir kritik sıcaklığın altında bir anda sıfıra düşmesine süperiletkenlik denilmiştir.Askeri,tıbbi,ticari ve bilimsel açıdan çok fazla uygulama alanı bulunan süperiletkenliğin önemi hemen anlaşılsa da malzemelerde süpriletkenliğin başlama sıcaklığı olarak nitelendirilen kritik sıcaklık(Tc) değerinin yeterince yükseğe çıkartılamaması, temel
Lantanitler



-Geçiş element süperiletkenleri -Süperiletken*
-Geçiş element süperiletkenleri* -Potansiyel süperiletken
-Geçiş olmayan element süperiletkenleri -Lantanitler
-Geçiş olmayan element süperiletkenleri* -Süperiletken olmayan

*Sadece basınç altında

Şekil-1: Süperiletken elementleri gösteren periyodik tablo-
Şekil-3: Geçiş sıcaklığın altına soğutulduğunda dış manyetik alanın (B) varlığında ve yokluğunda süperiletkenlerin manyetik davranışlarının karşılaştırılması.
problemlerden olmuştur. 1980’li yıllara kadar Nb3Ge bileşiğinde en yüksek geçiş sıcaklığı 23.4 K olmuştur. Ancak 1986 yılında Bednorz ve Müller kritik sıcaklığı 30 K olan La1.85Ba0.15CuO4 seramik bileşiğini sentezlemesiyle bilim dünyasının çehresi değişmiş (Şekil-2b) ve Schilling ve arkadaşları 1193’de kritik sıcaklık Hg-Ba-Ca-Cu-O bileşiğinde 133 K’e kadar çıkartmıştır. Bütün süperiletkenlerin kritik sıcaklığı oda sıcaklığının altında olup,istenen sıcaklığa sıvılaştırılmış gazlar veya atmosferik basınç altında ulaşılır. Bu soğutuculardan en önemlileri sıvı helyum ve azottur. Süperiletken malzemenin direncinin sıfır olması süperiletkenlik geçişinde cereyan eden elektriksel akımların ölçülmesiyle tespit edilmektedir.
Sıfır elektriksel direnç sadece süperiletkenliği tanımlamada kullanılmaz. Ayrıca,süperiletken malzeme mükemmel diamanyetik özellikler de göstermelidir(Şekil-3). Termodinamik faz geçişinde normal iletkenden süperiletkenliğe ani geçiş sadece sıcaklıkla değil,numunenin yüzeyindeki manyetik alan mukavemetiyle (H) de saptanır. Manyetik alan burada bulunan kritik manyetik alanın (Hc) üzerine çıkarsa süperiletkenlik yok olur. Süperiletkenliği tanımlamada sıcaklık,akım yoğunluğu ve manyetik alan gibi parametreler kullanılır. Bir metal manyetik alana konulduğunda alan onun içinden geçer. Manyetik alanın çok kuvvetli olduğu yerlerde alan çizgileri birbirlerine çok yakındır. Bir süperiletken soğutularak manyetik alana konulup ve sonra geçiş sıcaklığın altına indirilirse, numunenin içnden manyetik alan uzaklaştırılır. Süperiletken halde bu malzemenin içinden manyetik alan geçmeyerek dışarıdan dönmesine Meissner etkisi denir. Bu durumda manyetik alan çizgileri süperiletkenin dışından hareket eder. Elektriksel direnç süperiletken içinde sıfır olduğu için elektriksel alanda sıfırdır. Faraday kanunundan süpariletkenin içnde manyetik akının değişmeyeceğini gösterir. Zamana bağlı olarak manyetik alan değişimi sıfırdır. Buna göre mükemmel diamgnetik özellik gösteren malzemeler sıfır direnç göstermesi I tip süperiletkenler olarak adlandırılır. Düşük seviyeli manyetik alanın kovulması kritik geçiş sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda 100-300 A ‘luk karakteristik kalınlıklı çok ince katmanın haricinde tamamlanır. Bir süperiletken yüzeyde manyetik alan uygulanmasıyla normal hale getirilebilir. Bu alan süperiletken içinde akan sayesinde üretilebilir. Ayrıca bu akımlar süperiletken içinde sıfır alana gelen ve iç alana karşı olan manyetik alan üretir. Bu yüzey akımları sonsuz akım yoğunluğuna sahip olmadığı için iç alan kılıfın kalınlığı geçerek süperiletkene nüfuz eder. Bu karakter mesafesine manyetik penetrasyon derinliği ((T)) denirve sıcaklığın bir fonksiyonudur.



Süperiletken malzemelerin mükemmel diamagnetizması süperiletken hali manyetik alanın büyüklüğünün yeterli olması halinde termodinamik kararlılığı durduracağını ifade eder. Böylece termodinamik kritik alan normal ve süperiletken hallerinin hacimsel Gibbs serbest enerjisindeki fark ile tanımlanır. Bu fark yoğunlaşma enerjisi olup,Eşitlik-1 ile belirtilir.

Burada, Gn(T)-Gs(T): süperiletken hallerinin volumetrik Gibbs serbest enerjisindeki farkı olan yoğunlaşma enerjisi, o: manyetik süseptibilite, T:sıcaklık ve Hc(T) ise manyetik alandır. Hc’den daha büyük manyetik alan uygulanması süperiletkenlik hali yok edecektir.


1.1.Süperiletkenliğin teorisi

Meissner ve Ochsenfeld 1933 yılında manyetik alan çizgilerin süperiletken tarafından uzaklaştığını keşfetmesinden sonra London kardeşler 1935 yılında süperiletkenlikteki fenomolojik teorilerini buldular. Fritz London 1950’de süperiletkenliğin kuantum mekaniği açısından anlaşılabileceğini önerdi ve buna bağlı olarak manyetik alan ve süperiletken akım akışı arasındaki yeni bağıntıları geliştirdi. Ginzburg ve Landau 1950 yılında kuantum mekanik dalga boyunu veya (x)=ns (ns= süperiletken eloktronların yoğunluğu) iç () düzen parametresini geliştirdiler. Normal metal/süperiletken sınırında önemli derecede değişebilen ns'’in minimum mesafe sıcaklığa bağımlı koherans uzunluğu ((T)) tanımlanır. Ayrıca, ’nin mesafe derecesi süperiletkenliğin önemli mesafelerin üzerinde gelişen iletken eloktronlar arasında birlikte hareket eden olay olduğunu önerir.

1957’de Bardeb,Cooper ve Schrieffer tarafından yapılan teorik çalışmalar süperiletkenliğin zayıf etkileşimler içinde birlikte olan karşıt momentlerin elektronları iletkenliğin bir çifti ile tanımlanabildiğini gösterdiler. Çift etkileşim elektronların bir enerji seviyesinde bir boşluk üretir ve oluşan elektron çiftleri tarafından süperiletkenliğin serbest enerjisinde net azalmaya neden olur. Elektron-Foton etkileşimi görünen fotonların değiş-tokuşu içinde onların birlikte hareketini sağlayarak elektronlar arasındaki ilgi çekici etkileşimi sağlar. Elektron-foton mekanizması enerji boşluğunun boyutu ve izotop etkilerini içeren süperiletkenliği deneysel sonuçlarını tanımlamada çok başarılı olmaktadır.

Şekil-5: (a) Tip I ve (b) Tip II süperiletkenlerin uygulanan manyetik alana bağlı olarak değişen magnetizasyonu.

Abrikosov Ginzburg-Landau teorisinin bir manyetik alanda süperiletkenler için iki mesafe farkını boyutsuz (T) Ginzburg-Landau parametresine bağlı olarak tahmin ettiğini 1957 yılında gösterdi(Şekil-5). (T) iki karakteristik uzunlukların oranı (T)/(T)) olarak tanımlanır ve sıcaklığa bağımlılığı zayıftır. (T)(1/2) ise süperiletken ve normal faz arasındaki bölgeler arasında pozitif yüzey enerjisi vardır. Bu pozitif manyetik alanın bulk penetrasyonu süperiletken içerisinde manyetik alanı içeren normal faz bölgesini üretebileceği için yüzey enerjisi bulk süperiletkenden magnetik flaksın haricinde sorumludur. Bu normal-süperiletken sınırının yüzey enerjisine eşit serbest enerjide bir artışa ihtiyaç duyabilecek ve böylece termodinamik olarak kararlı değildir. (T) (1/2)’ye sahip malzemeler tip I süperiletkenler olarak tanımlanır. (T) (1/2)’ye sahip malzemeler tip II süperiletkenler olarak bilinir ve normal ve süperiletken fazlar arasında negatif yüzey enerjisine sahiptir. Alaşımlardan yapılmış tip II süperiletkenler Hc’den daha küçük olan Hc1 daha küçük manyetik alanların üzerinde mükemmel diamanyetizm sergiler. Hc1’nin altında tip II malzemeler tip I malzemelerine manyetik davranış gösterir. Manyetik alan Hc1’nin üzerine çıktığında süperiletkenlik/normal faz sınırını oluşturarak serbest enerji azalır. Alan büyük süperiletkenlik/ normal faz sınır alanını oluşturarak manyetik flaksın en küçük birimi o = h / 2e olarak verir(Şekil-6). Serbest enerjideki azalma serbest enerji balansı normal hale gelmeden önce uygulanan manyetik alanın çok daha büyük değerlerine süperiletkenlik hali getirmede tip II süperiletkenleri izin verir. Kritik manyetik alanın (Hc2) üzerindeki manyetik alanda süperiletken halin kararlılığı yüksek manyetik alan uygulamalarında istifade edilmesine de tip II malzemeleri izin verir. Uygulanan manyetik alan Hc1 ve Hc2 arasında olduğunda, süperiletkenlik karışık bir halde olduğu söylenir. Süperiletken içinde manyetik kuanta yoğunluk miktarı Bi = no’ye tekabül eden iç alan ile saptanır. N, alan başına düşen miktardır.


1.2.Süperiletkenliğin kritik parametreleri

Süperiletkenlik sadece yüksek manyetik alan veya yüksek sıcaklıklarda yok edilmediği gibi fazla akım geçirilmeye çalışıldığında da kesit alan başına akım yoğunluğu artması da süperiletkenliği yok edebilir. Akım yoğunluğu (Jc) A/mm* birimle ölçülür. Jc’den daha az uygulanan akım yoğunluğumdan süperiletken malzemede akar ve böylece ohmik ısıtma veya güç kayıplarından süperiletken yapı bozulmaz. Jc’den daha büyük akım yoğunluğu Tc’nin üzerindeki sıcaklığı kademeli olarak yükselten ve ısı üreten süperiletkende voltaj kaybını üretir. Kritik sıcaklık (Tc) ve kritik manyetik alan (Hc , Hc1 ve Hc2) verilen malzeme ve kompozisyonlar için malzeme özelliğidir. Bütün bu özellikler mikroyapıdaki değişiklikler ile herhangi bir büyük derecelere etki etmezler. Ancak, tek malzeme içinde Jc çeşitli büyük dereceler üzerinde değişebilir ve metalurjik mikroyapı ve hata dağılımı çok büyük bir şekilde etkilenir. Bu uygun malzeme işlemi içinde Jc’nin kontrolü için bir fırsat sağlar.


gerisi ektedir.Merak edene :cool:

------------Reklamlar------------------------

Elektrotekno.com Ana Sayfa Tezler, Makaleler vb.
1. sayfa (Toplam 1 sayfa)

Süperiletkenlik ve Süperiletken malzemeler

Gizlilik Politikası

PLC programming