Ülijuhid
Mis on suprajuht?
Suprajuht on materjal, mis suudab juhtida elektrivoolu takistuseta. Seejuures ei ole suprajuht mitte ainult lõpmatult hea juht, vaid ka ideaalne diamagnet.Diamagnet tõrjub magnetvälja ja nõrgestab seda oma sees.
Suprajuht võib magnetvälja täielikult nõrgendada ja oma sisemusest välja tõrjuda.
Väljajooned kulgevad suprajuhi ümber täielikult.
Diamagneti vastandiks on para- ja ferromagnetid, mis tugevdavad välist magnetvälja.
Sisukord
Kaasaegse füüsika ühed fantastilisemad avastused hõlmavad ülijuhtivust.
Juba iseenesest on väga paeluv, et materjalil puudub elektritakistus.
Üle maailma on aga tuntuks saanud eelkõige pildid, mis näitavad, kuidas ülijuht hõljub poole
kohal püsimagneti
või vastupidi.
Joonisel on skemaatiliselt kujutatud ajakirjanduses sageli näidatud pilt: väike magnet hõljub üle ülijuhtiva plaadikese (must).
Paljud materjalid muutuvad väga madalatel temperatuuridel ülijuhiteks.
Tavaline plii näiteks muutub vedela heeliumi temperatuuril (4 K ehk umbes –270°C) ülijuhiks.
Need äärmiselt madalad temperatuurid muudavad ülijuhtivuse veelgi paeluvamaks.
Tänapäeval uuritakse kõrgtemperatuurilisi ülijuhte.
Leitud materjalid vajavad siiski endiselt väga madalaid temperatuure.
Spetsiaalsete omadustega keraamilised materjalid muutuvad umbes –100°C juures ülijuhiteks.
Selleks on aga endiselt vajalik ekstreemne jahutus, nt vedela lämmastikuga.
Kes on kunagi proovinud lasta püsimagnetil hõljuda, hoides seda ühe poolusega lamava magneti samanimelise pooluse kohal (nt Põhjapoolus põhjapooluse vastu), teab, kui keeruline, kui mitte võimatu, see on. Ülijuhk seevastu hõljub stabiilselt magnetväljas, kuigi ta ise ei ole üldse magnet. Kui viia ülijuhk kontakti ferromagnetiga (nt rauaga), siis ei ole tuvastatavad ühtegi magnetilist jõudu.
Miks hõljub ülijuht magnetväljas?
Supraleiduri ja magnetvälja vaheliste tõukuvate magnetiliste jõudude põhjus on ülijuhi diamagnetism.Paljud materjalid on diamagnetilised. Nii ka vesi. Diamagnetitel ei ole elementaarmagneteid nagu para- ega ferromagnetitel, mis saaksid välises magnetväljas joonduda. Kuid kui diamagnet viiakse välisesse magnetvälja, tekib induktsiooniefekt.
Materjalis indutseerub vool, mis tekitab magnetmomendi, mis on vastavalt Lenzi reeglile välisele magnetväljale vastupidine. Nii tekib nõrk tõukejõud. Äärmiselt tugevate magnetväljade abil on isegi õnnestunud panna hõljuma konn kui veerikas elusolend.
Diamagnet (nt vesi) tõrjutakse seega magnetvälja viiduna eemale, kuid väga nõrgalt. Tõukejõud magnetväljade ja diamagnetiliste ainete vahel on tugev vaid ülijuhis. Seetõttu nimetatakse ülijuhte ka „täiuslikeks diamagnetiteks“. Neil esineb magnetiseeritus, mis tõrjub magnetilise vootiheduse ülijuhi sisemusest täielikult välja. Ülijuht hõljub juba suhteliselt nõrga magneti kohal diamagnetilise tõukejõu mõjul.
Supratundlike ainete magnetiline permeaablus
Magnetiseerituse tugevuse kirjeldamiseks tuuakse sisse magnetiline permeaablus μ.Välise magnetvälja H0 korral tekib magnetiseeritus M. Kogu magnetvälja H aine olemasolul saadakse, korrutades välise magnetvälja H0 permeaablusega μ: H= μ•H0.
See magnetväli on välise magnetvälja H0 ja materjali magnetiseerituse M summa:
H=M+H0.
Seega kehtib magnetiseerituse jaoks: M=H-H0=μ•H0-H0=(μ-1)•H0.
Faktorit (μ-1) nimetatakse ka magnetiliseks suseptibiliteediks χ ja sellest järeldub M=χ•H0. Para- ja ferromagnetilised ained on permeaablusega, mis on suurem kui 1. Seega on magnetiline suseptibiliteet suurem kui null. Diamagnetiliste ainete permeaablus on pisut väiksem kui 1 ning suseptibiliteet vastavalt väiksem kui null. Supratundlikul ainel on magnetiline permeaablus μ=0 ja suseptibiliteet χ=-1. Seetõttu ei tungi magnetvoog enam supratundlikku ainesse. Võib ka ette kujutada, et supratundlikes ainetes on magnetiseeritus võrdne välise langeva väljaga, kuid vastassuunaline. Seepärast kompenseeritakse supratundlikus aines väline väli.
Seega puudub supratundlikul ainel läbitavus magnetilise vootiheduse suhtes. Tal on lõpmata suur magnetiline takistus. Supratundlik aine tõrjub magnetvoo täielikult oma sisemuseist.
Joonis näitab magnetvälja H
jõujoonte kulgu para- või ferromagnetilise materjali (μ
=2, χ=1) (vasakul) juures ning ülijuhi (μ
=0, χ
=-1) (paremal) juures.
Seejuures on algselt sisse langev väli kujutatud sinise noolega ja magnetiseeritus punase noolega.
Ferromagnetilises materjalis on magnetiseeritus positiivne ja seega algse väljaga samasuunaline.
Nii on alati, kui χ
>
0, s.t.
materjal „võtab“ magnetvälja samas suunas vastu ja võimendab seda.
Diamagnetis seevastu on magnetiseeritus sissetulevale väljale täpselt vastassuunaline.
Vastuvõetud väli on negatiivne ja seega χ
< 0.
Kui positiivne väljavõimendus võib olla isegi mitu korda suurem kui sissetulev väli, siis negatiivne nõrgenemine on maksimaalselt võimalik kuni välja täieliku kompenseerimiseni.
See täielik kompensatsioon esineb ülijuhtides.
Ülijuhile kehtib χ
= -1.
Seega μ
= 0.
Ülijuhist ei pääse ükski väli läbi.
Ülijuhist on seega „täiuslik diamagnet“.
Põnevaid projekte näitavad meie Magnetiprojektid koos superjuhtidega.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Kogu kompendiumi sisu (tekstid, fotod, illustratsioonid jms) autoriõigus kuulub autorile Franz-Josef Schmittile. Teose ainuõigused kuuluvad Webcraft GmbH-le (kui supermagnete.ee haldajale). Ilma Webcraft GmbH-i selgesõnalise loata ei tohi sisu kopeerida ega muul viisil kasutada.
© 2008–2026 Webcraft GmbH
© 2008–2026 Webcraft GmbH
