superkonduktor

BAB I

SEJARAH SUPERKONDUKTOR

1. SEJARAH SUPERKONDUKTOR

Superkonduktor ditemukan pada tahun 1911 oleh Heike Kamerlingh

Onnes (Gambar 1) saat ia mempelajari sifat-sifat logam pada suhu rendah.

Beberapa tahun sebelumnya ia telah menjadi orang pertama untuk mencairkan

helium, yang memiliki titik didih 4.2 K pada tekanan atmosfer, dan ini telah

membuka kisaran baru suhu penyelidikan eksperimental.

Gambar 1. Heike Kamerlingh Onnes (kiri) dan Van der Waals Johannes samping kondensor helium (1908).

Pada saat mengukur ketahanan suatu tabung kecil diisi dengan air raksa, ia

heran untuk mengamati bahwa perlawanan yang jatuh dari ~ 0,1 Ω pada suhu 4,3

K untuk kurang dari 3 × 10-6 Ω pada 4,1 K. Hasilnya direproduksi pada Gambar 2.

Di bawah 4.1 K, merkuri dikatakan superkonduktor, dan tidak ada eksperimen

belum terdeteksi perlawanan terhadap aliran arus yang stabil dalam bahan

superkonduktor. Suhu di bawah ini yang menjadi superkonduktor merkuri dikenal

sebagai Tc suhu kritis. Kamerlingh Onnes dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika

pada tahun 1913 'untuk penyelidikan tentang sifat materi pada temperatur rendah

yang menyebabkan, antara lain, untuk produksi helium cair' (Nobel Prize).

Gambar 2. Grafik menunjukkan ketahanan suatu spesimen merkuri versus suhu absolute

1 |SUPERKONDUKTOR, by : Gita Theresia Artita & Niko Sianturi

Karena ini penemuan awal, lebih banyak unsur telah ditemukan untuk

menjadi superkonduktor. Memang, superkonduktor ini tidak berarti sebuah

fenomena yang langka, sebagai tabel periodik pada Gambar 3 menunjukkan. Blok

merah muda gelap menunjukkan unsur-unsur yang menjadi superkonduktor pada

tekanan atmosfer, dan angka di bagian bawah sel temperatur kritis mereka, yang

berkisar dari 9,3 K untuk niobium (Nb, Z = 41), sampai dengan 3 × 10 - 4 K untuk

rhodium (Rh, Z = 45). Blok orange adalah unsur yang menjadi superkonduktor

hanya di bawah tekanan tinggi. Keempat blok pink pucat adalah elemen yang

superkonduktor dalam bentuk tertentu: karbon (C, Z = 6) dalam bentuk nanotube,

kromium (Cr, Z = 24) sebagai film tipis, paladium (Pd, Z = 46) setelah iradiasi

dengan partikel alpha, dan platinum (Pt, Z = 78) sebagai bubuk dipadatkan. Perlu

dicatat bahwa tembaga (Cu, Z = 29), perak (Ag, Z = 47) dan emas (Au, Z = 79),

tiga elemen yang merupakan konduktor yang sangat baik pada suhu kamar, jangan

menjadi superkonduktor bahkan pada suhu terendah yang dicapai.

Gambar 3. Tabel Periodik superkonduktor menampilkan semua elemen yang dikenal dan suhu kritis mereka.


http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=id&langpair=en%7Cid&u=http://openlearn.open.ac.uk/mod/oucontent/view.php?id=398540&extra=thumbnail_id397002084114&rurl=translate.google.co.id&usg=ALkJrhiDZDhB847vtunLdhC0YnobwxkpHA

Sebuah kemajuan besar dalam pemahaman tentang superkonduktivitas

datang pada tahun 1933, ketika Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld

menemukan bahwa superkonduktor lebih dari konduktor listrik sempurna. Mereka

juga memiliki sifat penting tidak termasuk medan magnet dari interior mereka.

Namun, bidang ini dikecualikan hanya jika berada di bawah suatu kekuatan kritis

bidang tertentu, yang tergantung pada bahan, suhu dan geometri spesimen. Di atas

ini kuat medan kritis superkonduktivitas menghilang. Brothers Fritz dan Heinz

Fritz London mengusulkan sebuah model yang menggambarkan pengecualian

lapangan pada tahun 1935, tetapi itu merupakan 20 tahun sebelum penjelasan

mikroskopis dikembangkan.

Teori kuantum lama ditunggu superkonduktivitas diterbitkan pada 1957

oleh tiga fisikawan AS, John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer, dan

mereka dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 1972 'untuk teori

mereka bersama-sama dikembangkan superkonduktivitas, biasanya disebut teori

BCS '(Nobel Prize kutipan). Menurut teori mereka, di negara superkonduktor ada

interaksi tarik menarik antara elektron yang dimediasi oleh getaran kisi ion.

Sebagai konsekuensi dari interaksi ini adalah bahwa pasangan elektron yang

digabungkan bersama-sama, dan semua pasangan elektron mengembun menjadi

negara kuantum makroskopik, yang disebut kondensat, yang meluas melalui

superkonduktor. Tidak semua elektron bebas dalam sebuah superkonduktor

berada di kondensat, mereka yang berada dalam keadaan ini disebut elektron

superkonduktor, dan yang lainnya disebut sebagai elektron normal. Pada suhu

yang sangat jauh lebih rendah dari temperatur kritis, ada elektron normal sangat

sedikit, tetapi kenaikan proporsi normal elektron dengan naiknya suhu, sampai

pada suhu kritis semua elektron adalah normal. Karena elektron superkonduktor

dihubungkan dalam keadaan makroskopik, mereka berperilaku koheren, dan

konsekuensi dari hal ini adalah bahwa ada jarak karakteristik dimana kepadatan

jumlah mereka bisa berubah, dikenal sebagai ξ panjang koherensi (dengan huruf

kecil xi Yunani, diucapkan 'ksye').

Dibutuhkan sejumlah besar energi untuk menyebarkan sebuah elektron

dari kondensat - lebih dari energi termal yang tersedia untuk sebuah elektron di

bawah temperatur kritis - sehingga elektron superkonduktor dapat mengalir tanpa


tersebar, yaitu, tanpa perlawanan. Teori BCS berhasil menjelaskan banyak sifat

superkonduktor diketahui, tetapi diperkirakan merupakan batas atas dari sekitar 30

K untuk temperatur kritis.

Penemuan lainnya teoritis penting dibuat pada tahun 1957. Alexei

Abrikosov memprediksi keberadaan jenis kedua superkonduktor yang berperilaku

dengan cara yang berbeda dari unsur-unsur seperti timah dan timah. Jenis baru ini

superkonduktor akan mengusir lapangan dari interior bila kuat medan diterapkan

rendah, tetapi melalui berbagai kekuatan medan listrik superkonduktor akan

threaded oleh daerah logam normal melalui medan magnet yang bisa lulus.

Penetrasi lapangan berarti bahwa superkonduktivitas bisa ada dalam kekuatan

medan magnet sampai 10 T atau lebih, yang membuka kemungkinan banyak

aplikasi. Untuk pekerjaan ini, dan penelitian berikutnya, Abrikosov menerima

Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 2003 "untuk sumbangan pionir pada teori

superkonduktor dan superfluids '(Nobel Prize)

Pada awal 1960-an sudah ada kemajuan besar dalam teknologi

superkonduktor, dengan penemuan paduan yang superkonduktor pada suhu yang

lebih tinggi daripada suhu kritis superkonduktor unsur. Secara khusus, paduan

dari niobium dan titanium (NbTi, T c = 9 K. 8) dan niobium dan timah (Nb 3 Sn, T

c = 18 K. 1) yang menjadi banyak digunakan untuk menghasilkan magnet tinggi

lapangan, dan dorongan utama untuk pengembangan ini adalah persyaratan untuk

magnet yang kuat untuk akselerator partikel, seperti Tevatron di Fermilab di

Amerika Serikat. Pada waktu yang sama, Brian Josephson membuat prediksi

teoritis penting yang memiliki konsekuensi besar bagi penerapan

superkonduktivitas pada skala yang sangat kecil. Dia memperkirakan bahwa arus

dapat mengalir antara dua superkonduktor yang dipisahkan oleh lapisan isolasi

sangat tipis. Efek Josephson tunneling disebut demikian telah banyak digunakan

untuk melakukan pengukuran berbagai sensitif, termasuk penentuan konstanta

fisik fundamental dan pengukuran medan magnet yang merupakan miliar (10 9)

kali lebih lemah dari medan magnetic Bumi. Pentingnya karyanya diakui pada

saat ia dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 1973 'untuk prediksi

teoretis tentang sifat supercurrent melalui pembatas terowongan, khususnya

fenomena yang secara umum dikenal sebagai efek Josephson' (Nobel Prize).


Perburuan superkonduktor dengan suhu kritis yang lebih tinggi terus

berlanjut di dekade berikutnya publikasi teori BCS, meskipun prediksi yang

bahwa batas atas untuk Tc kurang dari 30 K. Grail suci bagi para ilmuwan yang

bekerja di wilayah ini adalah materi yang superkonduktor pada suhu nitrogen cair

(77 K), atau, bahkan lebih baik, pada suhu kamar. Ini berarti bahwa semua

teknologi dan biaya yang terkait dengan penggunaan helium cair untuk

pendinginan dapat ditiadakan, dan aplikasi superkonduktivitas segera akan

menjadi jauh lebih ekonomis berharga. Terobosan itu datang pada tahun 1986,

ketika Georg Bednorz dan Alex Muller menemukan bahwa keramik terbuat dari

barium, tembaga lantanum, dan oksigen menjadi superkonduktor pada 30 K, suhu

tertinggi kritis diketahui pada waktu itu. Penemuan itu sangat mengejutkan karena

bahan ini merupakan isolator pada suhu kamar. Tahun berikutnya mereka

menerima Hadiah Nobel untuk Fisika 'untuk terobosan penting mereka dalam

penemuan superkonduktivitas pada bahan keramik' (Nobel Prize), dan kecepatan

yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan hadiah diikuti publikasi hasil

mereka mencerminkan pentingnya melekat pada pekerjaan mereka .

Sebagai hasil dari terobosan ini, banyak ilmuwan lain mulai memeriksa

bahan serupa. Pada tahun 1987, Paulus Chu menghasilkan bahan keramik baru

dengan mengganti lantanum oleh yttrium, dan menemukan bahwa mereka

memiliki temperatur kritis 90 K. Ini lompatan besar pada suhu kritis

memungkinkan untuk menggunakan nitrogen cair sebagai pendingin, dan dengan

janji kelayakan komersial untuk material baru, berebut seorang pun terjadi untuk

menemukan superkonduktor suhu tinggi baru dan untuk menjelaskan mengapa

mereka superconduct pada temperatur tinggi seperti . Pada saat penulisan (2005),

suhu kritis tertinggi 138 K, untuk talium-doped-cuprate merkuri, Hg 0,8 Tl 0. 2 Ba 2

Ca2 Cu3 O 8. 33. Gambar 4 menunjukkan kemajuan suhu tertinggi dikenal suhu

kritis superkonduktor selama abad terakhir.


Gambar 4. suhu kritis Tc berbagai superkonduktor diplot terhadap tanggal penemuan mereka.

Dalam beberapa tahun terakhir, tidak ada bahan dengan suhu kritis yang

lebih tinggi telah ditemukan, namun penemuan lain sama pentingnya telah dibuat.

Ini termasuk penemuan bahwa, terhadap kebijaksanaan konvensional, beberapa

bahan pameran koeksistensi ferromagnetism dan superkonduktivitas. Penemuan

mengejutkan seperti ini menuntut bahwa para ilmuwan terus menerus memeriksa

kembali teori lama berdiri di superkonduktivitas dan mempertimbangkan

kombinasi baru dari elemen. Sayangnya, tidak ada superkonduktor tersebut belum

ditemukan dengan suhu kritis di atas suhu kamar, sehingga pendinginan cryogenic

masih menjadi bagian penting dari aplikasi superkonduktor. Kesulitan dengan

fabrikasi bahan keramik ke kabel melakukan atau strip juga memperlambat

pengembangan aplikasi baru superkonduktor temperatur tinggi. Namun, meskipun

kekurangan ini, penggunaan komersial superkonduktor terus meningkat.


http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=id&langpair=en%7Cid&u=http://openlearn.open.ac.uk/mod/oucontent/view.php?id=398540&extra=thumbnail_id397002084311&rurl=translate.google.co.id&usg=ALkJrhgTgxclRBOwQr4mNNkdszIsW-4zxw

Gambar 5. Tabel bahan superkonduktor beserta tahun ditemukannya


BAB II

PROPERTIES SUPERKONDUKTOR

2. PROPERTIES SUPERKONDUKTOR

2.1 Zero Hambatan Listrik

Dalam bagian ini kita akan membahas beberapa sifat listrik yang

paling penting dari superkonduktor, dengan diskusi tentang sifat magnetik

untuk mengikuti bagian berikutnya.

Karakteristik paling jelas dari superkonduktor adalah hilangnya

lengkap hambatan listrik yang di bawah suhu yang dikenal sebagai temperatur

kritisnya. Eksperimen telah dilakukan untuk mencoba untuk mendeteksi

apakah ada perlawanan sisa kecil di negara superkonduktor. Sebuah tes

sensitif adalah untuk memulai putaran mengalir saat ini sebuah cincin

superkonduktor dan mengamati apakah membusuk saat ini. Arus mengalir di

loop superkonduktor jelas tidak dapat diukur dengan memasukkan sebuah

ammeter ke loop, karena ini akan memperkenalkan resistensi dan pembusukan

arus akan dengan cepat.

Besarnya medan magnet berbanding lurus dengan arus beredar di loop,

dan lapangan dapat diukur tanpa menarik energi dari sirkuit. Percobaan jenis

ini telah dilakukan selama periode tahun, dan medan magnet - dan karenanya

superkonduktor saat ini - selalu tetap konstan dalam presisi peralatan

pengukur. Seperti suatu arus terus-menerus adalah karakteristik dari negara

superkonduktor. Dari tidak adanya pembusukan dari arus telah disimpulkan

bahwa resistivitas ρ superkonduktor adalah kurang dari 10-26 Ω m. (Ini adalah

sekitar 18 urutan magnitudo lebih kecil dari resistivitas tembaga pada suhu

kamar ( 10−8 Ω m).

Tahanan adalah kebalikan dari konduktivitas, yaitu, ρ = σ - 1. Kami

lebih memilih untuk menjelaskan superkonduktor dengan ρ = 0, bukan oleh σ

= .

Pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara

electron dengan inti atom. Namun elektron dapat melewati inti

tanpa mengalami hambatan dari atom kisi. Efek ini dapat 8 |SUPERKONDUKTOR, by : Gita Theresia Artita & Niko Sianturi

dijelaskan oleh Teori BCS. Ketika elektron melewati kisi, inti yang

bermuatan positif menarik elektron yang bermuatan negatif dan

mengakibatkan elektron bergetar.

Jika ada dua buah elektron yang melewati kisi, elektron kedua akan

mendekati elektron pertama karena gaya tarik dari inti atom-atom kisi lebih

besar. Gaya ini melebihi gaya tolak-menolak antar electron sehingga kedua

elektron bergerak berpasangan. Pasangan ini disebut Cooper Pairs. Efek ini

dapat dijelaskan dengan istilah Phonons. Ketika elektron pertama pada

Cooper Pairs melewati inti atom kisi. Elektron yang mendekati inti atom kisi

akan bergetar dan memancarkan Phonon. Sedangkan elektron lainnya

menyerap Phonon. Pertukaran Phonon ini mengakibatkan gaya tarik menarik

antar elektron. Pasangan elektron ini akan melalu kisi tanpa gangguan dengan

kata lain tanpa hambatan.

2.2 Resistensi Arus Menyebabkan Fluks Magnet Konstan

Konsekuensi penting dari arus yang mengalir terus-menerus pada

material dengan nol resistensi adalah bahwa fluks magnet yang melewati

sebuah loop terus menerus dari material tetap konstan. Untuk melihat

bagaimana hal ini terjadi, pertimbangkan cincin dari logam, melampirkan

daerah tetap A, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a. Medan magnet B 0

awal diterapkan tegak lurus terhadap bidang cincin saat suhu di atas suhu

kritis bahan dari mana cincin dibuat. Fluks magnet Φ melalui cincin adalah B 0

A, dan jika yang berdering adalah didinginkan di bawah temperatur kritis,

sementara di bidang ini diterapkan, maka fluks melewatinya tidak berubah.

Jika sekarang kita ubah field diterapkan, maka arus akan diinduksi di ring, dan


menurut hukum Lenz arah ini saat ini akan sedemikian rupa sehingga fluks

magnetik ini menghasilkan mengkompensasi perubahan fluks akibat

perubahan dalam bidang terapan . Dari hukum Faraday, ggl induksi dalam

cincin adalah −dΦ/dt = −Ad( B − B0 )/dt, dan ini menghasilkan suatu diinduksi

saat ini I diberi oleh.

Dimana L adalah induktansi diri cincin. Perhatikan bahwa tidak ada

istilah ohmik, IR, di tangan sebelah kiri persamaan ini, karena kita

mengasumsikan bahwa R = 0. Integrasi persamaan ini, kita memperoleh

LI + BA = konstan.

Gambar 6. (a) Sebuah cincin didinginkan di bawah temperatur kritis dalam bidang terapan B 0.

(b) Ketika bidang yang digunakan adalah dihapus, superkonduktor arus mempertahankan fluks melalui cincin pada nilai yang sama.

Tetapi LI adalah jumlah fluks melewati cincin yang dihasilkan oleh I arus

yang mengalir di atas ring - ini hanya definisi induktansi diri L - jadi (LI + BA)

adalah fluks magnet total melalui cincin. Fluks total threading sirkuit dengan

nol hambatan karena itu harus tetap konstan - tidak bisa berubah. Jika medan

magnet yang digunakan adalah berubah, arus induksi diatur yang menciptakan

fluks untuk mengkompensasi tepat untuk perubahan fluks dari medan magnet

yang diterapkan. Karena rangkaian memiliki ketahanan tidak, arus induksi 10 |SUPERKONDUKTOR, by : Gita Theresia Artita & Niko Sianturi

dapat mengalir tanpa batas waktu, dan jumlah asli fluks melalui cincin dapat

dipertahankan selamanya. Hal ini berlaku bahkan jika bidang eksternal

dihapus sama sekali, sedangkan fluks melalui cincin dikelola oleh gigih

induksi saat ini, seperti pada Gambar 6b. Namun, perhatikan bahwa fluks

konstan melalui cincin itu tidak berarti bahwa medan magnet tidak berubah.

Dalam Gambar 6a ada bidang seragam dalam cincin, sedangkan pada Gambar

6b lapangan dihasilkan oleh arus yang mengalir di atas ring dan akan dekat

jauh lebih besar ke ring dari pada pusatnya.

Aplikasi penting dari fluks konstan melalui sirkuit superkonduktor

ditunjukkan pada Gambar 7. Sebuah solenoid superkonduktor, digunakan

untuk menghasilkan medan magnet besar, dihubungkan ke catu daya yang

dapat disesuaikan untuk memberikan yang sesuai saat ini untuk menghasilkan

field yang diperlukan. Untuk beberapa aplikasi penting bagi lapangan untuk

tetap konstan dengan presisi lebih tinggi dari stabilitas pasokan listrik akan

memungkinkan. Bidang stabil dicapai dengan memasukan sebuah saklar

superkonduktor secara paralel dengan solenoida. Ini bukan suatu saklar

mekanik, tetapi panjang kawat superkonduktor yang dipanaskan di atas suhu

kritis untuk 'membuka' saklar, dan didinginkan di bawah temperatur kritis

untuk 'menutup' itu. Dengan saklar terbuka, arus dari catu daya diatur untuk

memberikan kekuatan bidang yang diperlukan. saklar ini kemudian ditutup

untuk menghasilkan sirkuit sepenuhnya superkonduktor yang mencakup

solenoid, saklar dan mengarah menghubungkan mereka. Fluks melalui sirkuit

ini harus tetap konstan dalam waktu, sehingga lapangan dalam solenoida juga

akan tetap konstan dalam waktu. Bonus tambahan adalah bahwa power supply

sekarang dapat terputus, yang berarti bahwa tidak ada energi yang hilang

sambil mempertahankan lapangan.

Gambar 7. Suatu superkonduktor solenoid dengan switch superkonduktor yang


memungkinkan untuk beroperasi dalam mode aktif terus-menerus.

Kumparan superkonduktor dengan arus persisten dapat digunakan

dalam kereta magnetis-levitated berkecepatan tinggi. Dalam sistem yang

digunakan pada Maglev Yamanashi Test Line di Jepang (Gambar 8), koil

superkonduktor terpasang di sisi kereta menginduksi arus di kumparan

dipasang pada dinding guideway, dan kekuatan yang menarik dan menjijikkan

antara magnet superkonduktor dan lagu-dipasang kumparan kedua melayang

kereta dan memberikan bimbingan lateral. Kereta didorong ke depan oleh

pasukan menarik dan menjijikkan antara magnet superkonduktor dan koil

propulsi terletak di dinding guideway yang energi oleh fase tiga-alternating

current yang menciptakan medan magnet pergeseran sepanjang guideway

tersebut. Pada tahun 2003, kereta api mencapai pemecah rekor kecepatan dari

581 km h - 1 di trek ini.

Gambar 8 (a) Sebuah kereta yang menggunakan kumparan superkonduktor untuk levitasi magnetik. (b) guideway untuk kereta api, menunjukkan kumparan digunakan untuk levitasi, bimbingan dan propulsi.

Sebuah aplikasi kedua adalah penggunaan tabung superkonduktor ke

layar komponen sensitif dari medan magnet, seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 9. Tabung didinginkan di bawah temperatur kritis dalam medan

magnet sangat kecil. Jika medan magnet ini kemudian diterapkan di wilayah

tabung, skrining arus akan diinduksi yang menghasilkan medan yang


http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=id&langpair=en%7Cid&u=http://openlearn.open.ac.uk/mod/oucontent/view.php?id=398540&extra=thumbnail_id397002085069&rurl=translate.google.co.id&usg=ALkJrhic5g-exVDc8ugFU_J5Vw5S2kgjCg

membatalkan bidang diterapkan dalam tabung. Namun, perlu diketahui

bahwa penyaringan yang efektif memerlukan tabung panjang, karena hanya

geometri ini akan menghasilkan medan magnet seragam di tengah tabung.

Gambar 9. Sebuah tabung superkonduktor panjang layar wilayah bagian dalam dari medan magnet diterapkan secara eksternal.

2.3 Teori BCS

Pada tahun 1957 dikembangkan teori yang lebih mendasar untuk

menjelaskan superkonduktivitas. Teori ini disebut Teori BCS, dinamakan

menurut nama belakang tiga penciptanya: John Bardeen, Leon Cooper,

dan John Schrieffer (Ketiganya dari Amerika Serikat).

Teori BCS dapat menjelaskan fenomena superkonduktivitas secara

memuaskan. Teori BCS menyempurnakan gambaran mengenai kisi dengan

mengatakan bahwa aliran elektron bergerak menembus kisi-kisi secara

berpasangan. Ketika sebuah elektron bermuatan negatif bergerak melintasi


http://en.wikipedia.org/wiki/BCS_theory

kisi, ion-ion bermuatan positif pada kisi akan tertarik dan mendistorsikan

bentuk kisi dan membentuk semacam “terowongan.” Sebelum elektron

tersebut lewat dan juga sebelum kisi-kisi tersebut berbalik ke posisi semula,

sebuah elektron kedua akan ditarik ke dalam terowongan dan terhubung

dengan elektron kedua. Kedua elektron akan bergerak bersama-sama dan

dengan demikian pergerakan elektron melintasi kisi-kisi lebih lancar. Inilah

hakikat dari superkonduktivitas.

Secara singkat Teori BCS menjelaskan bahwa :

a. Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan

keadaan dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh

energi gap.

b. Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan

adanya energi gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang

tidak langsung ini terjadi ketika satu elektron berinteraksi

dengan kisi dan merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan

keuntungan dari deformasi kisi. Kedua elektron ini

beronteraksi melalui deformasi kisi.

c. London Penetration Depth merupakan konsekuensi dari Teori

BCS.

2.4 Efek Meissner

Karakteristik mendefinisikan kedua dari bahan superkonduktor jauh

kurang jelas dari nol hambatan listrik nya. Itu lebih dari 20 tahun setelah

penemuan superkonduktivitas yang Meissner dan Ochsenfeld menerbitkan

sebuah makalah yang menjelaskan karakteristik kedua ini. Mereka

menemukan bahwa ketika medan magnet diterapkan pada contoh timah,

mengatakan, dalam keadaan superkonduktor, medan yang digunakan adalah

dikecualikan, sehingga B = 0 seluruh interiornya. Ini dalam superkonduktor

dikenal sebagai efek Meissner.

Pengecualian dari medan magnet dari suatu superkonduktor terjadi

terlepas dari apakah sampel menjadi superkonduktor sebelum atau setelah

medan magnet luar diterapkan. Dalam keadaan stabil, medan magnet luar


http://en.wikipedia.org/wiki/Cooper_pair

dibatalkan dalam interior superkonduktor dengan melawan medan magnet

yang dihasilkan oleh pemutaran stabil arus yang mengalir pada permukaan

superkonduktor.

Adalah penting untuk mengakui bahwa pengecualian medan magnet

dari dalam superkonduktor tidak dapat diprediksi dengan menggunakan

persamaan Maxwell untuk sebuah material yang memiliki hambatan listrik

nol. Kita akan merujuk pada material yang memiliki resistensi nol tetapi tidak

menunjukkan efek Meissner sebagai konduktor sempurna, dan kami akan

menunjukkan bahwa superkonduktor memiliki sifat tambahan selain yang

dapat diprediksi dari ketahanan nol.

Dijelaskan pada bagian sebelumnya bahwa fluks tertutup oleh jalan

yang berkesinambungan melalui nol materi perlawanan - sebuah konduktor

sempurna - tetap konstan, dan ini harus benar untuk setiap jalur dalam materi,

apapun ukuran atau orientasi. Ini berarti bahwa medan magnet seluruh materi

harus tetap konstan, yaitu, ∂B / ∂t = 0. Konsekuensi dari hal ini adalah

ditunjukkan pada Gambar 10 bagian (a) dan (b).


http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=id&langpair=en%7Cid&u=http://openlearn.open.ac.uk/mod/oucontent/view.php?id=398540&extra=thumbnail_id397002085221&rurl=translate.google.co.id&usg=ALkJrhg1EzP4URVQyUf4JpdogJXa36jo2g

Gambar 10 .Perbandingan dari respon dari sebuah konduktor yang sempurna, (a) dan (b), dan superkonduktor, (c) dan (d), ke medan magnet diterapkan.

Pada bagian (a) dari angka ini, sebuah konduktor sempurna

didinginkan dalam medan magnet nol sampai di bawah suhu di mana

ketahanan menjadi nol. Ketika medan magnet diterapkan, arus screening

diinduksi di permukaan untuk mempertahankan lapangan di nol dalam materi,

dan ketika lapangan akan dihapus, lapangan tetap dalam material pada nol.

Sebaliknya, bagian (b) menunjukkan bahwa pendinginan sebuah konduktor

yang sempurna untuk di bawah temperatur kritis dalam medan magnet

seragam mengarah pada situasi di mana medan seragam dipertahankan di

dalam materi. Jika bidang yang digunakan adalah kemudian dihapus, field

dalam konduktor tetap seragam, dan kontinuitas dari garis-garis medan

magnet berarti ada lapangan di wilayah sekitar konduktor yang sempurna.

Jelas, medan magnet dari konduktor yang sempurna tidak hanya tergantung

pada suhu dan medan magnet, tetapi juga pada sejarah sebelumnya materi.

Ini Kontras dengan perilaku sebuah superkonduktor, yang ditunjukkan

pada Gambar 10 bagian (c) dan (d). Apakah material didinginkan di bawah

temperatur kritis superkonduktor di nol lapangan, (c), atau dalam bidang

terbatas, (d), medan magnet dalam bahan superkonduktor selalu nol. Medan

magnet selalu diusir dari sebuah superkonduktor. Hal ini dicapai secara

spontan dengan menghasilkan arus pada permukaan superkonduktor. Arah

arus adalah seperti menciptakan medan magnet yang persis membatalkan

bidang diterapkan dalam superkonduktor. Ini adalah pengecualian aktif medan

magnet - efek Meissner - yang membedakan superkonduktor dari konduktor

yang sempurna, bahan yang hanya memiliki nol perlawanan. Jadi kita dapat

menganggap nol nol perlawanan dan medan magnet sebagai dua karakteristik

kunci dari superkonduktivitas.


Diamagnetisme Sempurna

Diamagnetisme ini disebabkan arus yang diinduksi dalam orbital atom

oleh medan magnet diterapkan. Arus induksi menghasilkan magnet di dalam

bahan diamagnetic yang menentang medan listrik, dan magnet menghilang

ketika medan listrik akan dihapus. Namun, efek ini sangat kecil: magnet

umumnya mengurangi bidang yang diterapkan oleh kurang dari satu bagian

dalam 10 5 dalam materi. In diamagnetic material, B = μμ 0H , Dalam bahan

diamagnetic, B = μ μ 0 H, dengan μ permeabilitas relatif sedikit kurang dari

kesatuan.

Superkonduktor mengambil efek diamagnetic yang ekstrim, karena

dalam superkonduktor bidang B adalah nol - lapangan benar-benar disaring

dari interior material. Jadi permeabilitas relatif dari superkonduktor adalah

nol.

2.5 Medan Magnet Kritis

Karakteristik penting dari superkonduktor adalah bahwa resistensi

normal akan dipulihkan jika medan magnet cukup besar diterapkan. Sifat ini

transisi ke keadaan normal tergantung pada bentuk superkonduktor dan

orientasi medan magnet, dan juga berbeda untuk unsur-unsur murni dan untuk

paduan. Dalam bagian ini kita menggambarkan perilaku dalam situasi yang

paling sederhana, kita akan membahas perilaku lain yang lebih kompleks

dalam Bagian 4.

Jika medan magnet meningkat diterapkan sejajar dengan sebuah

silinder tipis panjang timah pada suhu konstan di bawah temperatur kritis,

maka silinder akan membuat transisi dari negara superkonduktor ke keadaan

normal pada wilayah mencapai kekuatan yang jelas. Bidang ini di mana

superkonduktivitas ini hancur dikenal sebagai kuat medan magnet kritis, B c.

Jika bidang berkurang, dengan suhu tetap konstan, silinder timah kembali ke

keadaan superkonduktor pada kekuatan medan Bc kritis yang sama.

Percobaan menunjukkan bahwa kuat medan magnet kritis tergantung

pada suhu, dan bentuk ketergantungan temperatur ditunjukkan pada Gambar


11 untuk beberapa elemen. Pada suhu yang sangat rendah, kuat medan kritis

pada dasarnya independen dari suhu, tapi dengan naiknya suhu, turun

lapangan kritis kekuatan, dan menjadi nol pada suhu kritis. Pada suhu di

bawah suhu kritis itu hanya membutuhkan medan magnet yang sangat kecil

untuk menghancurkan superkonduktivitas tersebut.

Ketergantungan suhu kuat medan kritis adalah sekitar parabola:

Dimana Bc (0) adalah nilai ekstrapolasi dari kekuatan medan kritis pada nol

mutlak dan Tc adalah suhu kritis. Kurva pada Gambar 11 menunjukkan

bahwa superkonduktor dengan suhu kritis Tc tinggi memiliki kekuatan Bc

tinggi kritis lapangan di T = 0 K, dan Tabel 1 menegaskan korelasi untuk

sejumlah besar elemen superkonduktor.

Gambar 11. kebergantungan Suhu medan magnet kritis kekuatan merkuri,, indium timah dan talium.

Tabel 1 Suhu kritis dan kritis T c B c kekuatan medan magnet (0) untuk

berbagai elemen superkonduktor.

Bahan T c / K B c (0) / mT

aluminium 1.2 10

kadmium 0.52 2.8

indium 3.4 28

lead 7.2 80


mercury 4.2 41

tantalum 4.5 83

talium 2.4 18

timah 3.7 31

titanium 0.40 5.6

seng 0.85 5.4

Sangat menarik untuk membandingkan perilaku magnetik elemen

superkonduktor dengan kurva khas untuk bahan diamagnetic, paramagnetik

dan ferromagnetic. erilaku magnetik bahan magnetik dapat diwakili oleh

grafik H terhadap B. Gambar 12a menunjukkan perilaku bahan diamagnetic

dan paramagnetik khas. Perhatikan bahwa kami telah merencanakan μ 0 H

pada sumbu horisontal daripada H, sehingga kedua sumbu menggunakan unit

yang sama (tesla). Garis-garis lurus diplot sesuai dengan hubungan B = μ μ 0

H, dengan μ sedikit lebih kecil dari kesatuan untuk material diamagnetic dan

sedikit lebih besar dari persatuan untuk material paramagnetik. Perilaku

feromagnet sebuah, ditunjukkan dalam Gambar 12b, sangat berbeda, dengan B

» μ 0 H, dan non-linear dan ireversibel kurva sangat sampai gaya magnet yang

jenuh, setelah B meningkat secara linier dengan H.


Gambar 12 . Grafik menunjukkan B versus μ 0 H untuk (a) dan paramagnetik bahan diamagnetic, dan (b) bahan ferromagnetic. Perhatikan skala yang berbeda untuk μ 0 H-sumbu di kedua grafik.

Bandingkan grafik ini dengan Gambar 13, yang menunjukkan B -

kurva H untuk silinder superkonduktor timah, dengan sejajar lapangan untuk

sumbu. Kekuatan lapangan B dalam superkonduktor adalah nol ketika μ 0 H

kurang dari kuat medan kritis B c; superkonduktor berperilaku seperti bahan

diamagnetic sempurna dan benar-benar tidak termasuk lapangan dari

interiornya. Tapi kemudian B tiba-tiba melompat ke B c nilai, dan pada bidang

yang lebih tinggi silinder timah mematuhi hubungan B μ 0H , karena bahan

yang lemah diamagnetic dalam keadaan normal, dengan μ = 0,9998. Grafik

linear pada Gambar 12a sama dengan yang untuk superkonduktor di atas

kekuatan medan kritis.


Gambar 13. Grafik menunjukkan B versus μ 0 H untuk silinder timah, sejajar sejajar dengan lapangan.


BAB III

PEMODELAN SIFAT SUPERKONDUKTOR

3. PEMODELAN SIFAT SUPERKONDUKTOR

3.1 Sebuah Model Dua Fluida

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, dosis besar mekanika

kuantum akan diperlukan untuk memberikan penjelasan lengkap tentang sifat-

sifat superkonduktor. Ini akan membawa kami terlalu jauh dari

elektromagnetisme, dan dengan demikian kami akan membatasi diskusi kita

dengan aspek-aspek yang dapat dibahas dengan menggunakan konsep klasik

elektromagnetisme.

Kita akan model elektron bebas dalam superkonduktor sebagai dua

cairan. Menurut model ini-cairan dua, satu fluida terdiri dari 'normal'

elektron, nomor n n kepadatan, dan berperilaku ini dengan cara yang persis

sama dengan elektron bebas dalam logam normal. Mereka dipercepat oleh

medan listrik E, tapi sering tersebar oleh kotoran dan cacat dalam kisi ion dan

dengan getaran termal kisi. Hamburan membatasi kecepatan elektron, dan

mereka mencapai rata-rata kecepatan drift = −e = - E E / m , Dimana E /

m, adalah waktu rata-rata antara peristiwa hamburan untuk elektron dan m

adalah massa elektron. saat JN kepadatan karena aliran elektron tersebut

adalah :

Diselingi dengan elektron normal adalah apa yang akan kita sebut

elektron superkonduktor, atau superelectrons, yang membentuk suatu cairan

dengan densitas n s nomor. Elektron superkonduktor tidak tersebar oleh

kotoran, cacat atau getaran termal, sehingga mereka bebas dipercepat oleh

medan listrik. Jika kecepatan elektron superkonduktor adalah s v, maka

persamaan yang gerak adalah :


Menggabungkan ini dengan ekspresi untuk rapat arus, J s = - n s e v s, kita

menemukan bahwa :

Bandingkan ini dengan Persamaan 2, yang berhubungan densitas arus dan

medan listrik dalam sebuah konduktor normal. Hamburan elektron normal

menyebabkan arus konstan dalam medan listrik yang konstan, sedangkan tidak

adanya hamburan elektron dalam superkonduktor berarti bahwa kepadatan

arus akan meningkat terus dalam medan listrik konstan. Namun, jika kita

mempertimbangkan arus yang mengalir dalam, superkonduktor konstan

kemudian ∂ J / ∂ t = 0, maka E = 0. Oleh karena itu rapat arus normal harus

nol - semua arus mantap dalam superkonduktor adalah dibawa oleh elektron

superkonduktor. Tentu saja, dengan tidak ada medan listrik di dalam

superkonduktor, tidak akan ada beda potensial di atasnya, dan sehingga

memiliki nol perlawanan.

3.2 Medan Magnet Dalam Sebuah Konduktor yang Sempurna

Ketika mendiskusikan efek Meissner dalam Ayat 2.3, kami

berpendapat kualitatif bahwa bahan yang hanya memiliki milik nol

perlawanan - sebuah konduktor sempurna, bukan superkonduktor - akan

mempertahankan medan magnet konstan dalam interior, dan tidak akan

mengusir segala bidang yang hadir ketika bahan menjadi superkonduktor.

Sekarang kita akan menunjukkan bagaimana kesimpulan bahwa berikut dari

aplikasi persamaan Maxwell untuk sebuah konduktor yang sempurna. Kita

kemudian dapat melihat apa asumsi tambahan yang diperlukan untuk

memperhitungkan efek Meissner di sebuah superkonduktor.

Kami berasumsi bahwa elektron dalam sebuah konduktor yang

sempurna (atau sebagian dari mereka) tidak tersebar, dan oleh karena itu rapat

arus diatur oleh Persamaan 3. Namun, kita akan menggunakan 'pc' subskrip

(untuk konduktor sempurna) di sini untuk menunjukkan bahwa kita tidak


berurusan dengan sebuah superkonduktor. Kita tertarik dalam medan magnet

dalam sebuah konduktor yang sempurna, jadi kita akan berlaku persamaan

Maxwell untuk situasi ini. Faraday's law is valid in all situations, hukum

Faraday berlaku dalam segala situasi,

dan jika kita mengganti untuk E menggunakan persamaan 3, kita

mendapatkan :

Melihat di hukum Ampere-Maxwell, curl H = J f + ∂ D / ∂t , kita akan

menganggap bahwa konduktor sempurna kita adalah baik lemah diamagnetic

atau lemah paramagnetik, sehingga :

μ 1 dan H B / μ 0 perkiraan sangat baik.

Kami juga akan menghilangkan istilah Maxwell, ∂ D / ∂ t, karena ini adalah

untuk diabaikan atau perlahan-bervariasi, bidang statis, yang kita akan

mempertimbangkan. Dengan pendekatan ini, hukum Ampere-Maxwell

menyederhanakan hukum Ampere,

dimana penggunaan pc subskrip untuk rapat arus mengingatkan kita bahwa

saat ini bebas J f adalah dibawa oleh-melakukan elektron sempurna. Sekarang

kita menggunakan ungkapan ini untuk menghilangkan J pc dari Persamaan 4:

Kita bisa menggunakan identitas vektor standar dari dalam penutup belakang

untuk menulis ulang sisi kiri dari persamaan ini:


monopol hukum tidak, div B = 0, berarti bahwa istilah pertama di tangan sisi

kanan persamaan ini adalah nol, maka Persamaan 6 dapat ditulis kembali

sebagai :

Persamaan ini menentukan bagaimana ∂ B / ∂ t bervariasi dalam sebuah

konduktor yang sempurna.

Kita akan mencari solusi untuk Persamaan 7 untuk geometri sederhana

ditunjukkan dalam Gambar 14; konduktor memiliki batas yang sesuai dengan

bidang z = 0, dan menempati wilayah z> 0, dengan bidang seragam di luar

konduktor yang diberikan oleh B 0 = B 0 e x.

Gambar 14 Sebuah batas bidang antara konduktor dan udara.

Bidang eksternal seragam di-arah berarti x bahwa bidang di dalam konduktor

juga akan di-arah x, dan kekuatannya akan tergantung hanya pada z. Jadi

Persamaan 7 tereduksi ke dalam bentuk satu dimensi

di mana kita telah menyederhanakan persamaan, karena alasan yang segera

akan menjadi jelas, dengan menulis :


Solusi umum dari persamaan ini adalah :

dimana a dan b adalah independen posisi. Istilah kedua di tangan kanan sesuai

dengan tingkat perubahan kekuatan medan yang terus meningkat secara

eksponensial dengan jarak dari batas, karena ini adalah unphysical, kita set b =

0. Kondisi batas untuk paralel lapangan untuk batas adalah bahwa H ∥ kontinu,

dan karena kita mengasumsikan bahwa μ 1 baik di udara dan konduktor, ini

setara dengan B ∥ menjadi sama di kedua sisi dari batas setiap saat. Ini berarti

bahwa ∂ B / ∂ t adalah sama di kedua sisi perbatasan, jadi :

dan bidang dalam konduktor sempurna memenuhi persamaan :

Hal ini menunjukkan bahwa setiap perubahan dalam medan magnet eksternal

dilemahkan eksponensial dengan jarak di bawah permukaan konduktor yang

sempurna. Jika λ pc jarak adalah sangat kecil, maka lapangan tidak akan

berubah dalam sebagian besar konduktor yang sempurna, dan ini adalah

perilaku yang kita dijelaskan kualitatif dalam bagian 2.3. Catatan bahwa ini

tidak berarti medan magnet harus dikeluarkan: pengusiran fluks membutuhkan

B = 0, bukan hanya ∂ B / ∂ t = 0. Jadi bagaimana kita memodifikasi gambaran

bahwa kita telah diberikan sebuah konduktor sempurna sehingga

menggambarkan superkonduktor dan mengarah ke prediksi bahwa B = 0?

3.3 Persamaan London

Sebuah deskripsi sederhana namun bermanfaat dari elektrodinamika

superkonduktivitas dikemukakan oleh saudara dan Heinz Fritz London pada

tahun 1935, tak lama setelah penemuan bahwa medan magnet yang diusir dari

superkonduktor. persamaan yang diusulkan mereka konsisten dengan efek

Meissner dan dapat digunakan dengan persamaan Maxwell untuk


memprediksi bagaimana medan magnet dan arus permukaan bervariasi dengan

jarak dari permukaan sebuah superkonduktor.

Dalam rangka untuk menjelaskan efek Meissner, saudara-saudara

London diusulkan bahwa dalam sebuah superkonduktor, Persamaan 4 diganti

dengan hubungan yang lebih ketat

Persamaan 4, dan Persamaan 3 yang berhubungan laju perubahan arus ke

medan listrik, kini dikenal sebagai persamaan London.

Persamaan London

Penting untuk dicatat bahwa persamaan ini bukan merupakan

penjelasan tentang superkonduktivitas. Mereka diperkenalkan sebagai

pembatasan persamaan Maxwell sehingga perilaku superkonduktor dideduksi

dari persamaan adalah konsisten dengan pengamatan eksperimental, dan

khususnya dengan efek Meissner. Status mereka adalah agak mirip dengan

hukum Ohm, yang merupakan deskripsi yang berguna dari perilaku normal

logam banyak, tetapi yang tidak memberikan penjelasan untuk proses

konduksi pada tingkat mikroskopis.

Untuk mendemonstrasikan bagaimana persamaan London

menyebabkan efek Meissner, kami melanjutkan dalam cara yang sama seperti

konduktor yang sempurna. Pertama kita gunakan's hukum Ampere,

curl B = μ 0 J s, untuk menggantikan J s dalam Persamaan 9, dan kita

memperoleh :

di mana


tetapi curl (curl B) = grad(div B) − ∇2B = −∇2B , since div B = 0. Jadi

Persamaan ini mirip dengan Persamaan 7, tapi ∂ B / ∂ t telah diganti oleh B.

Yang penting untuk dicatat tentang persamaan ini adalah bahwa satu-satunya

solusi yang sesuai dengan seragam lapangan spasial (yang ∇ 2 B = 0) adalah

bidang yang identik nol mana-mana. Jika B tidak sama dengan nol, maka ∇ 2

B tidak akan menjadi nol, sehingga B akan tergantung pada posisi. Dengan

demikian, medan magnet seragam seperti yang ditunjukkan dalam Gambar

10b tidak bisa eksis dalam sebuah superkonduktor.

Jika kita mempertimbangkan kembali geometri satu dimensi sederhana

ditunjukkan pada Gambar 14, maka kita mendapatkan solusi untuk Persamaan

11 dengan hanya mengganti waktu derivatif parsial dari ladang dalam larutan

untuk konduktor sempurna (Persamaan 8) oleh ladang sendiri, bahwa: ,

Oleh karena itu, persamaan London mengarah pada prediksi dari peluruhan

eksponensial dari medan magnet di dalam superkonduktor, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 15.


Gambar 15 Penetrasi medan magnet menjadi bahan superkonduktor, menunjukkan kedalaman penetrasi, λ.

3.4 Penetrasi Kedalaman

Panjang karakteristik, λ, terkait dengan peluruhan medan magnet pada

permukaan superkonduktor ini dikenal sebagai kedalaman penetrasi, dan itu

tergantung pada kepadatan n nomor elektron superkonduktor.

Kita dapat memperkirakan nilai untuk λ dengan mengasumsikan

bahwa semua elektron bebas superkonduktor. Jika kita set n s = 10 29 m - 3,

kerapatan elektron bebas yang khas dalam logam, maka kita menemukan

bahwa

Ukuran kecil λ menunjukkan bahwa medan magnet secara efektif dikecualikan

dari interior makroskopik spesimen superkonduktor, dalam perjanjian dengan

efek Meissner eksperimental diamati.

Skala kecil dari penetrasi field berarti bahwa percobaan yang

dirancang hati-hati diperlukan untuk mengukur nilai λ. Banyak percobaan

telah dilakukan dengan sampel yang memiliki permukaan yang besar terhadap

volume untuk membuat efek penetrasi bidang yang cukup. film tipis, kabel

tipis dan partikel koloid superkonduktor semuanya telah digunakan untuk

tujuan ini. Tetapi juga memungkinkan untuk menggunakan spesimen besar

jika pengukuran sensitif dengan jumlah fluks magnet yang melewati

permukaan superkonduktor, dan bukan pada rasio fluks dikecualikan oleh

superkonduktor untuk fluks melalui materi biasa, yang dekat dengan kesatuan.

Dalam sebuah percobaan klasik yang dilakukan pada 1950-an,

Schawlow dan Devlin mengukur induktansi diri solenoida dalam waktu yang

mereka memasukkan silinder kristal tunggal superkonduktor panjang timah,

7,4 mm. Mereka meminimalkan ruang antara kumparan dan silinder timah,

dan karena tidak ada fluks magnet melewati sebagian besar superkonduktor,

fluks pada dasarnya dibatasi untuk shell silinder tipis λ ketebalan pada

permukaan silinder. Induktansi dari solenoida karena itu ditentukan terutama


oleh besarnya kedalaman penetrasi. Untuk mengukur induktansi, suatu

kapasitor dihubungkan secara paralel dengan solenoida, dan frekuensi sudut

alam, n = 1/ n 1 = / , of the LC circuit was measured. , Dari sirkuit LC

diukur. Ketepatan pengukuran frekuensi sekitar satu bagian dalam 10 6, yang

berhubungan dengan ketepatan 0,4 nm pada nilai kedalaman penetrasi. Hasil

yang mereka diperoleh untuk kedalaman penetrasi timah untuk suhu jauh lebih

rendah dari suhu kritis adalah 52 nm.

Kepadatan jumlah elektron superkonduktor tergantung pada suhu,

sehingga kedalaman penetrasi yang bergantung pada temperatur. Untuk T ≪ Tc , semua elektron bebas superkonduktor, tetapi jumlah kepadatan jatuh terus

dengan meningkatnya suhu hingga mencapai nol pada suhu kritis. Sejak λ n

s-1/2 sesuai dengan model London, kedalaman penetrasi meningkat karena suhu

mendekati suhu kritis, menjadi efektif tak terbatas - sesuai dengan bidang

seragam dalam material dan di atas suhu kritis. Gambar 16 menunjukkan

ketergantungan suhu untuk timah, yang juga diwakili oleh ekspresi

dimana λ (0) adalah nilai kedalaman penetrasi pada T = 0 K.

Gambar 16. Kedalaman penetrasi λ sebagai fungsi temperatur untuk timah.

3.5 Pemutaran Saat Ini


Persamaan London berhubungan medan magnet dalam superkonduktor

dengan rapat arus superkonduktor, dan kami berasal ketergantungan lapangan

pada posisi dengan menghilangkan kepadatan arus. Namun, jika kita

menghilangkan medan magnet sebaliknya, kita dapat memperoleh persamaan

berikut untuk densitas arus:

Persamaan 13 memiliki bentuk yang sama persis dengan Persamaan 11. Jadi

untuk planar simetri yang telah kita bahas sebelumnya - superkonduktor

material menduduki wilayah z> 0 (Gambar 14) - solusi untuk rapat arus akan

memiliki bentuk yang sama seperti Persamaan 12, yaitu,

Persamaan ini tidak memberikan indikasi besarnya absolut atau arah aliran

arus, tapi kita bisa menyimpulkan ini dengan menggunakan ini hukum

Ampere, curl B = μ 0 J s. Dalam situasi planar bahwa kita mempertimbangkan,

B = B x (z) e x, sehingga

Kemudian

mana

Tetapi kita tahu bahwa B x (z) = B 0 e - z / λ (Persamaan 12), sehingga :

Dengan demikian arus yang layar bagian dalam superkonduktor dari

arus medan listrik dalam lapisan permukaan tipis, yang memiliki ketebalan

ditandai oleh λ kedalaman penetrasi, dan arus mengalir sejajar dengan


permukaan dan dalam arah tegak lurus terhadap medan magnet, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 17.

Perbedaan numerik antara prediksi model London untuk kedalaman

penetrasi timah dan nilai eksperimental diukur menunjukkan bahwa model ini

memiliki keterbatasan. Salah satu keterbatasan adalah bahwa model pada

dasarnya model lokal, sehubungan densitas arus dan medan magnet pada

setiap titik.

Gambar 17. medan magnet dan vektor rapat arus di lapisan permukaan sebuah superkonduktor.

Superkonduktivitas, meskipun, adalah sebuah fenomena non-lokal,

yang melibatkan perilaku koheren elektron superkonduktor yang kental ke

dalam keadaan kuantum makroskopik. Jarak karakteristik dimana perilaku

elektron superkonduktor terkait dikenal sebagai panjang koherensi, ξ,

diperkenalkan di Bagian 1. Jarak ini merupakan jarak dimana kepadatan

jumlah perubahan elektron superkonduktor, dan merupakan ukuran dari sifat

non-lokal intrinsik dari negara superkonduktor. Model London lokal adalah

deskripsi baik jika ξ « λ, yaitu, panjang koherensi jauh lebih pendek dari pada

jarak λ dimana bidang dan rapat arus berubah. Karena kedalaman penetrasi

meningkat tajam karena suhu mendekati suhu kritis (Gambar 16), model

London menjadi pendekatan yang baik dalam batas ini. Lebih penting lagi,

panjang koherensi superkonduktor menurun dengan naiknya suhu kritis dan

sebagai waktu untuk mengurangi hamburan elektron normal. Kedua efek ini

berarti bahwa panjang koherensi pendek dibandingkan dengan kedalaman


penetrasi dalam superkonduktor paduan dan keramik, sehingga model London

lokal merupakan pendekatan yang baik dalam kasus ini juga, dan prediksi dan

hasil eksperimen untuk kedalaman penetrasi berada dalam perjanjian yang

baik.

Untuk elemen murni, jauh di bawah temperatur kritis mereka,

kedalaman penetrasi umumnya lebih pendek dari panjang koherensi, jadi

model lokal tidak tepat. Dalam batas ini, kepadatan jumlah elektron

superkonduktor tidak mencapai nilai curah sampai jarak urutan ξ, yang lebih

besar dari λ, dari permukaan, dan nilai penurunan rekening n untuk perbedaan

antara prediksi dan hasil eksperimen untuk kedalaman penetrasi timah dibahas

sebelumnya.

Rasio kedalaman penetrasi dengan panjang koherensi merupakan

parameter penting untuk superkonduktor, dan kami akan kembali ke topik ini

dalam bagian 4.2.


BAB IV

TIPE SUPERKONDUKTOR

4. TIPE SUPERKONDUKTOR

3.1 Superkonduktor TIPE I

Kita lihat dalam bagian 2.4 bahwa superkonduktivitas dalam silinder

timah hancur ketika medan diterapkan dengan kekuatan B 0> B c diterapkan

sejajar dengan silinder. Namun, ketika lapangan diterapkan tegak lurus

terhadap silinder, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 18, kuat medan di

titik A dan C secara substansial lebih besar dari kekuatan medan listrik pada

jarak dari silinder, dan ini ditunjukkan dengan peningkatan konsentrasi garis

lapangan yang ditunjukkan di dekat titik-titik ini. Bahkan, dapat ditunjukkan

bahwa kekuatan medan di titik-titik ini merupakan faktor dari dua lebih besar

dari kekuatan medan diterapkan. Ini berarti bahwa sebagai bidang yang

diterapkan B 0 meningkat, lapangan pada titik A dan C akan mencapai bidang

kritis kekuatan B c ketika B 0 = Bc/2.


Gambar 18. medan magnet B dalam pesawat tegak lurus dengan sumbu dari silinder superkonduktor (ditampilkan dalam penampang) untuk bidang yang diterapkan dengan B 0 <B c / 2.

Anda mungkin berpikir bahwa superkonduktivitas di dalam silinder

akan benar-benar hancur di kekuatan lapangan lebih rendah. Namun, yang ini

menjadi kasus, maka bahan akan berada dalam keadaan normal dengan

kekuatan lapangan di interiornya kurang dari B c, yang tidak mungkin.

Sebaliknya, untuk kekuatan medan listrik B 0 pada rentang Bc/2 < B0 < Bc ,

silinder pecah menjadi irisan kecil dan superkonduktor materi normal yang

berjalan sejajar dengan medan listrik. Kondisi ini di mana daerah

superkonduktor material hidup berdampingan dan normal dalam TIPE-I

superkonduktor dikenal sebagai keadaan antara, dan secara skematis

diperlihatkan pada Gambar 19. Dalam daerah normal, B =B c, dan di daerah

superkonduktor, B menurun cepat dan terbatas pada lapisan tipis, lebar yang

ditentukan oleh kedalaman penetrasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar

20. Kepadatan jumlah elektron superkonduktor n s meningkat dari nol pada

batas untuk nilai curah selama ξ panjang koherensi. Perhatikan bahwa karena

n s tidak konstan di daerah superkonduktor, kekuatan medan magnet tidak

jatuh secara eksponensial. Proporsi bahan dalam keadaan normal meningkat

dari nol untuk B 0 = B c / 2 sampai 100 persen untuk B 0 = B c.


Gambar 19. Skema representasi dari keadaan antara untuk silinder dari superkonduktor tipe I-aligned tegak lurus terhadap medan magnet.

Gambar 20. Variasi kekuatan medan magnet dan densitas jumlah elektron superkonduktor di wilayah batas antara normal dan daerah superkonduktor dalam keadaan antara dari superkonduktor-TIPE-I.

Menerapkan terendah kuat medan di mana keadaan antara muncul

tergantung pada bentuk spesimen dan orientasi medan. Pada dasarnya, itu

ditentukan oleh sejauh mana lapangan menyimpang oleh superkonduktor, atau

dengan kata lain, oleh seberapa besar kekuatan medan ditingkatkan di tepi

superkonduktor. Untuk silinder tipis ditunjukkan pada Gambar 21a, medan di

luar pada dasarnya sama sebagai bidang diterapkan, sehingga ada transisi

langsung dari superkonduktor ke keadaan normal, tanpa keadaan antara

intervensi. Kontras ini dengan pelat tipis berorientasi tegak lurus terhadap

medan listrik ditunjukkan pada Gambar 21b, di mana kekuatan medan akan

sangat ditingkatkan di luar tepi piring itu jika tidak bisa menembus piring.

Sampel seperti ini memasuki kondisi peralihan ketika kuat medan yang

digunakan adalah bagian kecil dari kuat medan kritis (Gambar 21c).


Gambar 21. (a) Sebuah silinder tipis superkonduktor tidak mendistorsi bidang diterapkan seragam.

(b) Sangat bidang terdistorsi yang akan terjadi jika medan magnet tidak menembus piring tipis.

(c) Menengah negara di piring tipis.

Gambar 22 menunjukkan pola daerah normal dan superkonduktor

untuk plat aluminium di negara menengah, dengan bidang tegak lurus ke

permukaan.

Gambar 22 . Bubuk Timah diendapkan di atas piring dan dikumpulkan di daerah superkonduktor - area gelap pada gambar - di mana medan magnetik rendah. Daerah normal cahaya sekitar 1 mm lebar

3.2 Superkonduktor TIPE II

Selama beberapa dekade diasumsikan bahwa semua superkonduktor,

unsur dan paduan, berperilaku dengan cara yang sama, dan bahwa setiap


http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=id&langpair=en%7Cid&u=http://openlearn.open.ac.uk/mod/oucontent/view.php?id=398540&extra=thumbnail_id397002088805&rurl=translate.google.co.id&usg=ALkJrhjrT49jMkczepJR5h43DYVMX_qKLg

perbedaan dapat dikaitkan dengan kotoran atau cacat pada material. Namun,

pada tahun 1957, Abrikosov meramalkan adanya semacam berbeda dari

superkonduktor, dan Gambar 23 menunjukkan bukti langsung atas keberadaan

apa yang sekarang dikenal sebagai superkonduktor tipe-II. Perbandingan

Angka 23 dan 22 menunjukkan bahwa efek medan diterapkan superkonduktor

tipe-II agak berbeda dari yang untuk tipe-I superkonduktor.

Gambar 23. Permukaan dari paduan superkonduktor yang memiliki medan magnet yang diterapkan tegak lurus ke permukaan. Daerah gelap adalah normal dan daerah cahaya superkonduktor. Dalam hal ini, partikel feromagnetik kecil yang diterapkan ke permukaan, dan mengumpulkan mana kekuatan lapangan terbesar. Partikel-partikel tetap dalam posisi saat spesimen dipanaskan sampai suhu kamar, dan permukaan kemudian dicitrakan dengan mikroskop elektron.

Untuk mempermudah, kita akan mempertimbangkan pertama

spesimen silinder panjang bahan tipe-II, dan menerapkan paralel medan untuk

sumbu. Di bawah bidang kekuatan kritis tertentu, yang dikenal sebagai kuat

medan kritis yang lebih rendah dan dinotasikan dengan simbol B c1, medan

magnet yang digunakan adalah dikecualikan dari sebagian besar bahan,

menembus ke dalam hanya lapisan tipis di permukaan, seperti untuk tipe-I

materi. Tetapi di atas B c1, materi tidak membuat transisi mendadak ke keadaan

normal. Sebaliknya, daerah silinder sangat tipis dari bahan normal muncul,

melewati paralel spesimen porosnya. Kita akan lihat seperti daerah normal

sebagai inti normal. Inti normal diatur pada kisi segitiga, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 23, dan sebagai bidang yang digunakan adalah

meningkat, core lebih normal muncul dan mereka menjadi lebih dan lebih


dekat dikemas bersama-sama. Akhirnya, bidang kekuatan kritis kedua, kuat

medan kritis atas B c2, tercapai, di atas yang bahan kembali ke keadaan

normal. Medan yang ada antara kekuatan dan kritis atas lapangan lebih

rendah, di mana-tipe-II superkonduktor berulir oleh core normal, dikenal

sebagai negara campuran. Seperti Gambar 24 menunjukkan, baik atas dan

bawah kuat medan kritis tergantung pada temperatur dalam cara yang mirip

dengan kuat medan kritis untuk bahan-tipe I (Gambar 11).

Gambar 24. Suhu ketergantungan dari kuat medan kritis yang lebih rendah (B c1) dan kuat medan kritis atas (B c2) untuk superkonduktor tipe-II. Inti normal yang ada di superkonduktor tipe-II di negara campuran

tidak tajam digambarkan. Gambar 25 menunjukkan bagaimana kepadatan

jumlah superelectrons dan kekuatan medan magnet bervariasi sepanjang garis

yang melewati sumbu tiga core tetangga. Nilai n s adalah nol pada pusat inti

dan meningkat lebih dari jarak ξ karakteristik, panjang koherensi. Medan

magnet yang terkait dengan masing-masing inti normal tersebar di daerah

dengan diameter 2λ, dan masing-masing inti normal dikelilingi oleh pusaran

beredar saat ini.


Gambar 25. Jumlah kepadatan superelectrons n s dan B kuat medan magnet sekitar core normal di superkonduktor tipe-II.

Anda dapat melihat dari Gambar 25 bahwa ξ panjang koherensi, jarak

karakteristik untuk perubahan n s, lebih pendek dari λ kedalaman penetrasi,

jarak karakteristik untuk perubahan dalam medan magnet di sebuah

superkonduktor. Ini umumnya berlaku untuk superkonduktor tipe-II,

sedangkan untuk superkonduktor tipe-I, ξ > λ (Gambar 20). Untuk

superkonduktor tipe-I murni, nilai-nilai khas dari panjang karakteristik adalah

ξ ~ 1 μ m dan λ = 50 nm. Kontras ini dengan nilai-nilai untuk-tipe-II paduan-

menggunakan tipe luas dari niobium dan timah, Nb 3 Sn, yang ξ ~ 3,5 nm dan

λ = 80 nm.

Alasan bahwa besarnya relatif panjang koherensi dan kedalaman

penetrasi begitu penting adalah bahwa ketika ξ > λ, energi permukaan yang

terkait dengan batas antara superkonduktor dan daerah yang normal adalah

positif, sedangkan bila ξ < λ, ini energi permukaan adalah negatif .

Membenarkan pernyataan ini akan melibatkan diskusi tentang termodinamika

superkonduktor, tetapi untuk tujuan kita itu hanya cukup untuk melihat

konsekuensinya. Untuk energi permukaan positif, sistem akan memilih

beberapa batas dan kami mengharapkan yang relatif tebal normal dan

superkonduktor daerah, seperti yang diamati dalam keadaan antara bahan tipe-

I.. Sebaliknya, energi permukaan negatif nikmat pembentukan sebagai batas


banyak antara daerah normal dan superkonduktor mungkin, dan ini adalah apa

yang terjadi di negara campuran bahan tipe-II dengan banyak core normal

sempit. Batas bawah untuk diameter inti adalah 2ξ, seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 25, karena ξ adalah jarak di mana n s dapat bervariasi.

Argumen ini energi tidak secara eksplisit menunjukkan berapa banyak

fluks magnet melewati setiap core normal. Namun, argumen mekanik

kuantum menunjukkan bahwa fluks magnetik menghubungkan

superkonduktor setiap loop harus quantised, dan bahwa kuantum fluks

magnetik h / 2 e = 2.07 × 10 −15T m2 dimana h = 6,63 × 10-34 J adalah konstanta

Planck.

Pada kenyataannya, masing-masing inti normal yang ditunjukkan pada

Gambar 23 berisi hanya satu kuantum fluks, karena ini lebih menguntungkan

dari segi energi memiliki dua atau lebih kuanta fluks dalam inti. kuantisasi

fluks dalam superkonduktor adalah sangat penting dalam cumi-cumi,

gangguan perangkat superkonduktor kuantum yang berada di jantung

magnetometer yang digunakan untuk mengukur medan magnet yang

dihasilkan oleh arus di dalam otak. Sebuah SQUID berisi sebuah loop kecil

superkonduktor dengan link superkonduktor lemah di dalamnya, dan

kuantisasi fluks dalam loop menyebabkan sifat listrik untuk tergantung pada

fluks diterapkan untuk itu, dengan periodisitas sama dengan kuantum fluks.

Besarnya sangat kecil dari kuantum fluks bertanggung jawab atas sensitivitas

perangkat untuk medan magnet sangat kecil.

Sebuah titik akhir ini patut dicatat tentang kuantum fluks: faktor 2

pada penyebut dari ekspresi h / 2 e merupakan konsekuensi dari kopling

pasangan elektron dalam superkonduktor dan kondensasi mereka ke dalam

keadaan dasar superkonduktor. Ada biaya - 2 e terkait dengan masing-masing

pasangan elektron.

Arus Kritis dalam superkonduktor tipe-II

Nilai tinggi dari kuat medan kritis atas B c2 banyak tipe-II

superkonduktor paduan membuat mereka sangat menarik untuk belitan


kumparan untuk menghasilkan medan magnet yang tinggi. Sebagai contoh,

paduan dari niobium dan titanium (NbTi 2) dan niobium dan timah (Nb 3 Sn)

memiliki nilai B c2 sekitar 10 T dan 20 T, masing-masing, dibandingkan

dengan 0,08 T untuk memimpin, jenis-aku superkonduktor. Namun, untuk

bahan tipe-II dapat digunakan untuk tujuan ini, mereka juga harus memiliki

arus kritis yang tinggi pada kuat medan yang tinggi, dan ini memerlukan

beberapa bantuan dari metallurgists untuk mengatasi masalah yang signifikan.

Masalah ini berhubungan dengan interaksi antara arus yang mengalir

melalui superkonduktor tipe-II di negara campuran dan 'tabung' fluks

magnetik yang benang melalui core normal. Elektron akan mengalami gaya

Lorentz, tegak lurus dengan baik kerapatan arus dan medan magnet. Kita

dapat menganggap ini sebagai saling interaksi antara elektron dan fluks dalam

core normal, sebagai akibat dari yang masing-masing inti normal mengalami

kekuatan yang ada di arah yang berlawanan dengan gaya Lorentz pada

elektron. Arah medan magnetik, arus dan pasukan diperlihatkan pada Gambar

26.

Gambar 26. Elektron dan normal core kekuatan pengalaman tegak lurus dengan arus dan medan magnet, tetapi dalam arah yang berlawanan.

Gaya Lorentz dapat menyebabkan core dan fluks terkait magnet

mereka untuk bergerak, dan gerakan fluks akan menimbulkan ggl yang

mendorong arus melalui core normal, agak seperti eddy saat ini. Oleh karena

itu energi didisipasikan dalam core normal, dan energi ini harus datang dari


catu daya. Disipasi energi berarti bahwa aliran elektron terhalangi, dan karena

itu ada perlawanan terhadap aliran arus.

Fluks gerak Oleh karena itu tidak diinginkan dalam superkonduktor

tipe-II, dan tujuan dari metallurgists yang mengembangkan proses untuk

pembuatan kawat untuk magnet adalah untuk membuat gerak fluks sesulit

mungkin. Hal ini dilakukan dengan memperkenalkan cacat ke dalam struktur

kristal, terutama dengan mempersiapkan materi sedemikian rupa sehingga

terdiri dari banyak butiran kristal kecil dengan orientasi yang berbeda dan

presipitat kecil komposisi yang berbeda. Cacat ini efektif pin core normal pada

posisi - mereka memberikan penghalang potensial untuk gerakan inti,

sehingga gaya pada inti harus melebihi nilai tertentu sebelum core bisa

bergerak. Semakin banyak fluks ini menyematkan pusat yang hadir, dan

penghalang semakin besar potensi yang mereka berikan, semakin besar akan

menjadi saat ini diperlukan untuk mengatur mereka dalam gerakan, yaitu

semakin besar kritis saat ini. Jadi, tidak seperti sebuah konduktor yang normal,

yang meningkatkan kemurnian dan mengurangi ketidaksempurnaan dalam

memimpin struktur kristal dengan konduktivitas yang lebih baik, dengan

superkonduktor tipe-II masuknya kotoran dan cacat pada struktur kristal dapat

meningkatkan arus kritis dan membuat materi lebih cocok untuk digunakan

dalam elektromagnet.

Tidak diragukan lagi penggunaan bahan superkonduktor terbesar untuk

proyek tunggal dalam Large Hadron Collider di CERN, beroperasi pada 2007.

Km 27 - terowongan akselerator panjang berisi 1232 magnet superkonduktor

yang bertanggung jawab untuk mengarahkan partikel balok sekitar jalan

melingkar mereka. Masing-masing magnet adalah 15 m panjang, memiliki

massa 35 ton dan menghasilkan kekuatan medan magnet sebesar 8,5 T.

Kumparan di setiap magnet terbuat dari sekitar 6 km kabel niobium-titanium,

dengan massa sekitar ton, dan akan dipertahankan pada suhu 1,9 K

menggunakan helium cair. Untuk membangun sebuah akselerator dengan

spesifikasi yang serupa dengan menggunakan magnet superkonduktor non-


akan diperlukan sebuah terowongan sejauh 120 km dan jumlah fenomenal

daya untuk beroperasi.

Superkonduktor Tipe-II dan Negara Vortex

Sifat magnetik superkonduktor tipe-II, kurva magnetisasi yang

digambarkan dalam Gambar 27(24). Di bawah T c, di hadapan eksternal medan

magnet H yang diterapkan, tiga tahap yang berbeda yang dikenali, tergantung

pada kekuatan medan listrik. Below a lower critical field. Di bawah ini yang

kritis lapangan lebih rendah H c 1 ( T ) superkonduktor dalam keadaan

Meissner dengan pengusiran penuh fluks magnetik dari interiornya. Untuk

bidang yang diterapkan di atas bidang yang kritis atas H c 2 ( T ), fluks

magnetik sepenuhnya menembus-II jenis material dan kembali ke keadaan

normal. Dalam teori Ginzburg-Landau, bagian atas dan bawah bidang kritis

dapat ditulis sebagai:

(20

)

dan,

(21

)

Jika medan listrik terletak di antara H c 1 ( T ) dan H c 2 ( T ), ada sebagian fluks

penetrasi ke dalam sampel menuju ke daerah di pedalaman yang

superkonduktor dan lain-lain yang dalam keadaan normal, hal ini sering

disebut sebagai negara tipe campuran. Ginzburg dan Landau didefinisikan

tipe -II superkonduktor sebagaimana dilakukan dengan . Suhu

tinggi ekstrim superkonduktor tipe-II, dengan parameter GL besar ( ie

(Yaitu ), Besar medan kritis atas H c 2 ( T ), dan kecil yang lebih rendah

bidang critcal H c 1 ( T )


Pada tahun 1957, fisikawan Rusia Alexei A. Abrikosov meramalkan

adanya superkonduktor tipe-II dengan mempertimbangkan solusi dari

persamaan GL untuk . Secara khusus, ia menganggap kasus mana

yang diterapkan medan magnet H eksternal hanya sedikit di bawah H c 2 ( T );

karena di daerah ini salah satu solusi memperoleh perkiraan menyerupai

orang-orang dari GL linierisasi persamaan (13). Solusi-solusi yang

mengungkapkan adanya medan magnet distribusi mikroskopik berkala,

melintang ke lapangan diterapkan. Lebih tepatnya usahanya diperkirakan array

persegi berkala filamen tipis fluks magnetik di negara campuran. Akibatnya,

sastra kadang-kadang mengacu kepada negara dicampur sebagai rezim

Abrikosov atau untuk alasan untuk segera dibuat jelas, negara vortex.

Di wilayah inti dari filamen, medan magnet yang tinggi dan bahan

tidak superconduct di sini, yaitu wilayah ini dalam keadaan normal. Medan

magnet disaring dari sisa sampel dengan supercurrents yang beredar di sekitar

filamen masing-masing. Hal ini umum untuk merujuk pada filamen sebagai

garis pusaran dan array filamen sebagai kisi pusaran. Di pusat pusaran di

mana besarnya bidang lokal terbesar, kepadatan superkonduktor elektron ns

dan karenanya urutan parameter adalah nol. Sebagai salah satu bergerak

radial keluar dari pusat inti pusaran, meningkatkan n s dan layar supercurrents

sejumlah besar fluks. Pada radius pada urutan panjang koherensi , n S


pendekatan nilai dalam sebagian besar sampel. Oleh karena itu kepadatan dari

supercurrents yang terbesar di dekat tepi inti pusaran mana pemutaran medan

magnet lokal di maksimal. Di luar inti vortex, kebocoran medan magnet

superkonduktor ke daerah sampel (lihat Gambar. 28 (25) ), dalam banyak cara

yang sama medan magnet menembus permukaan superkonduktor semi-tak

terbatas. Parameter order superkonduktor adalah, untuk semua maksud dan

tujuan, konstan di luar daerah pesanan sekitar inti vortex. Ini mungkin

dicatat di sini itu prediksi Abrikosov negara vortex luar biasa dalam hal itu

menghalangi bukti konkret experimenital keberadaannya. Dia diperoleh

hubungan berikut antara H c 1, H c 2, dan bidang kritis termodinamika H c:

(22

)

dan,

(23

)

Pada bidang Hc2 inti vortex mulai tumpang tindih dan tidak ada lagi solusi dari

persamaan Ginzburg-Landau (yaitu kembali bahan ke keadaan normal) Hc1

menandai medan magnet di mana dulu menjadi penuh semangat

menguntungkan untuk memiliki garis fluks menembus superonductor tersebut.


( Dalam batas kotor ( ), Seseorang dapat menulis bidang critcal atas

sebagai :

(24

)

Orang mungkin bertanya-tanya bagaimana magnet London kedalaman

penetrasi . dapat dimasukkan ke dalam sebuah teori untuk superkonduktor

tipe-II. Meskipun teori asli London ini memang berlaku untuk , Ia

tidak menyebutkan suatu lapangan kritis atas H c 2 ( T ). Namun demikian,

orang bisa mengantisipasi beberapa ekstensi dari model London berlaku untuk

superkonduktor tipe-II dengan pertimbangan fitur spesifik. Untuk mulai

dengan, F. London teoritis meramalkan bahwa fluks magnetik adalah

terkuantisasi dalam anulus superkonduktor. Perawatan analog dari

supercurrents yang melindungi inti pusaran, menyebabkan orang


menyimpulkan beberapa cara berbeda, bahwa fluks yang terkait dengan setiap

pusaran terkuantisasi dan didefinisikan oleh:

(25

)

mana disebut kuantum fluks, h adalah konstanta Planck dan c adalah

kecepatan cahaya. London asli perhitungan kuantum fluks padam

dengan faktor 2. Alasan untuk ini adalah pengetahuan yang tidak diketahui

tentang pasangan Cooper. Percobaan dilakukan pada cincin superkonduktor

memverifikasi Persamaan 26 sebagai persamaan yang benar. Untuk garis

pusaran terisolasi, lapangan sebagaimana ditentukan dalam batas tipe-II

ekstrim adalah :

(26

)

dimana r adalah jarak dari sumbu garis vortex, dan menunjukkan fungsi

Bessel modifikasi dari jenis kedua. Untuk jarak yang kecil ( ),

Dari sumbu pusaran-line, Persamaan. ( 26 ) tereduksi menjadi:

(27

)

( sementara lebih jauh ( ) :

(28

)

Interaksi antara garis pusaran menjadi signifikan ketika perpisahan mereka

Dalam superkonduktor tipe-II, medan magnet lokal di luar sebuah pusaran inti

meluruh secara eksponensial sehingga salah dibenarkan dalam

menggambarkan lapangan di wilayah ini dengan persamaan London. Dalam


http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=id&langpair=en%7Cid&u=http://musr.ca/theses/Sonier/MSc/node13.html&rurl=translate.google.co.id&usg=ALkJrhgZkPk8RtCvcQFXs1w40O0SemQh-Q#eqtn:isolated

arti kasar, negara campuran dari superkonduktor tipe-II dapat digambarkan

sebagai superkonduktor I-tipe dengan array regular dari daerah keadaan

normal (yaitu core vortex) tertanam dalam interiornya. Kedalaman penetrasi

magnetik kemudian ukuran panjang di mana kebocoran flux magnet ke

daerah superkonduktor yang mencakup inti vortex.

Keberadaan negara campuran dapat dikatakan melalui pertimbangan

energi bebas. Pertimbangkan sampel dalam medan magnet yang diterapkan H

diaplikasikan dengan fasa normal dan fase superkonduktor yang dipisahkan oleh

sebuah antarmuka tunggal. Realistis, pergantian antara dua fase tidak tiba-tiba.

Medan magnet bocor ke wilayah superkonduktor kejauhan ,

Menghasilkan kontribusi terhadap energi permukaan bebas dari antarmuka

yang negatif. Di samping itu, urutan parameter menurun hingga nol

lebih dari jarak , Sehingga mengurangi volume sebenarnya dari sampel

yang superconducts. Hal ini menyebabkan energi kontribusi positif pada

antarmuka. Jumlah dari kedua fenomena memberikan energi permukaan

bersih per satuan panjang pada antarmuka seperti :

(29

)

superkonduktor tipe I mana , Memiliki permukaan-energi

positif, sedangkan superkonduktor tipe-II dengan , Memiliki

permukaan-energi negatif. Sebuah perhitungan yang lebih tepat dalam konteks

GL-teori memprediksi bahwa tanda energi perubahan permukaan di

. Untuk superkonduktor-saya ketik di bidang

diterapkan, kehadiran-superkonduktor interface normal akan meningkatkan

kerapatan energi bebas total karena kontribusi permukaan-energi positif.

Keadaan ini tentu saja paling tidak baik,. ini karena di negara antara tipe-aku

superkonduktor daerah normal besar akan terbentuk yang mengandung banyak

kuanta flux .Di sisi lain, dalam hal tipe-II superkonduktor, permukaan-energi

negatif kontribusi dari-superkonduktor interface normal akan mengurangi


kepadatan energi bebas. Akibatnya, energi total diminimalkan dengan

memperkenalkan sebanyak antarmuka ini mungkin. Ini adalah apa yang terjadi

di negara campuran dari superkonduktor tipe-II.

Telah berpendapat bahwa model pusaran lahir dari Solusi Abrikosov

dari-Landau persamaan Ginzburg adalah giat menguntungkan bentuk paling

untuk fluks magnetik untuk mengasumsikan dalam superkonduktor .

Memaksimalkan-to-volume rasio permukaan daerah normal mengarah ke

situasi energi terendah di negara campuran, karena ini memberikan permukaan

positif-energi kontribusi terkecil. Untuk mencapai ini, seseorang dapat

membentuk daerah normal yang merupakan lamina salah satu ketebalan yang

sangat kecil ( ) atau alternatif, filamen diameter kecil ( ). ).

perhitungan teoritis menunjukkan bahwa pembentukan terakhir adalah

terendah di energi untuk .

Sejak awal prediksi's Abrikosov dari kisi pusaran persegi, solusi

selanjutnya persamaan GL untuk medan magnet tepat di bawah bidang kritis

atas H c 2 ( T ), telah meyakinkan menunjukkan bahwa array segitiga periodik

garis pusaran memiliki energi bebas terendah dari semua solusi periodik yang

mungkin, dan karenanya merupakan konfigurasi yang paling stabil . Dekorasi

percobaan yang memanfaatkan partikel besi kecil untuk membuat vortisitas

terlihat melalui mikroskop elektron tidak hanya memberikan konfirmasi

terbaik dari pengaturan segitiga tetapi juga memverifikasi kuantum fluks dari

Persamaan. ( 25 ). Hal ini jelas dari percobaan tersebut yang memverifikasi

kuantum fluks bahwa energetika lebih menguntungkan untuk meningkatkan

jumlah vortisitas sebagai salah satu meningkatkan medan magnet, daripada

meningkatkan jumlah fluks dalam pusaran setiap . Jadi dalam jenis-isotropik

superkonduktor II, garis pusaran menolak satu sama lain sebagai akibat dari

gaya magnet antara mereka, untuk membentuk sebuah kisi segitiga sama sisi

sesuai dengan meminimalkan energi.


http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=id&langpair=en%7Cid&u=http://musr.ca/theses/Sonier/MSc/node13.html&rurl=translate.google.co.id&usg=ALkJrhgZkPk8RtCvcQFXs1w40O0SemQh-Q#eqtn:quantum

BAB V

KEUNTUNGAN SUPERKONDUKTOR

5. KEUNTUNGAN SUPERKONDUKTOR

1. Tidak ada energi yang terbuang ketika superkonduktor ini menghantar arus

listrik. Milyaran rupiah bisa kita selamatkan dengan menggunakan

superkonduktor daripada konduktor biasa.

2. Karena tidak ada resistansi dalam superkonduktor, sirkuit yang menggunakan

superkonduktor tidak akan menjadi panas dan jadi, semakin banyak sirkuit

yang bisa kita kompres per centimeter kubiknya. Kalau kita menggunakan

konduktor biasa, sirkuit itu bisa terbakar jika kita mau mengkompres semakin


banyak material karena panas yang terakumulasi dari resistansi material

tersebut.

3. superkonduktor ini bisa berfungsi sebagai transistor (sejenis komponen sirkuit

yang bisa mengamplifikasi signal listrik dan digunakan di semua peralatan

modern yang menggunakan listrik) tetapi bisa berfungsi 100 kali lebih cepat.

Ini juga dikenal sebagai Josephson Junctions dan kalau dua Josephson

Junctions ini kita gabung dengan tepat, mereka bisa mendeteksi medan

magnet yang sangat kecil.

Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kita, misalnya, transmisi

listrik yang efisien (tak ada lagi kehilangan energi selama transmisi). Memang

saat ini penggunaan superkonduktor belum praktis, dikarenakan masalah perlunya

pendinginan. Suhu kritis superkonduktor masih jauh di bawah suhu kamar.

Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang.

Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang

menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang

pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor di bidang transportasi

memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor.

Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The

Yamanashi MLX01 MagLev train . Kereta api ini melayang di atas magnet

superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat

dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph

atau sekitar 550 km per jam.

5.1 EFISIENSI SUPERKONDUKTOR

Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja dibidang listrik.

Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 persen

dan ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang

menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan Amerika, American

Superconductor Corp diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang

diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-

SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt


yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik.

Untuk transmisi listrik, Pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk

menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk

menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan

menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh

meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel

tembaga mengakibat efisiensi sebesar 7.000 persen dari segi tempat.

Di bidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu

superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer,

HTSSQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut.

Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga

5.000 tenaga kuda. Berdasarkan perkiraan yang kasar, perdagangan

superkonduktor di dunia diproyeksikan akan berkembang senilai 90 trilyun dollar

AS pada tahun 2010 dan 200 trilyun dollar AS pada tahun 2020. Perkiraan ini

tentu saja didasarkan pada asumsi pertumbuhan yang linear. Apabila

superkonduktor baru dengan suhu kritis yang lebih tinggi telah ditemukan,

pertumbuhan di bidang superkonduktor akan terjadi secara luar biasa.

BAB VI

KELOMPOK SUPERKONDUKTOR

6. KELOMPOK SUPERKONDUKTOR

6.1 Jenis Superkonduktor Suhu-Tinggi

Superkonduktor suhu-tinggi umumnya adalah hal yang

mempertunjukkan superkonduktivitas pada suhu di atas suhu nitrogen cair,

atau −196 °C (77 K), karena ini merupakan suhu cryogenik yang mudah

dicapai. Superkonduktor konvensional membutuhkan suhu tidak lebih dari

beberapa derajat di atas nol mutlak (−273.15 °C atau −459.67 °F). Material


paling terkenal adalah Tc-tinggi yang disebut cuprate, seperti

La1.85Ba0.15CuO4, YBCO (Yttrium-Barium-Copper-Oxide) dan bahan

sejenis. Seluruh superkonduktor Tc-tinggi disebut superkonduktor tipe-II.

Superkonduktor tipe-II mengijinkan medan magnet untuk menembus bagian

dalamnya dalam satuan flux quanta, menghasilkan 'lubang' (atau tabung)

wilayah metalik normal dalam kumpulan superkonduksi. Sifat ini membuat

superkonduktor Tc-tinggi mampu bertahan di medan magnet yang jauh lebih

tinggi. Contoh kecil superkonduktor suhu tinggi BSCCO-2223. 2 jalur di

belakang terpisah 1 mm. Salah satu masalah tak terselesaikan dalam fisika

modern adalah pertanyaan bagaimana superkonduktivitas dapat terjadi dalam

material tersebut, yaitu, mekanika apa yang menyebabkan elektron dalam

kristal tersebut dapat membentuk pasangan.

Meskipun riset yang giat telah dilakukan dan banyak menghasilkan

petunjuk, namun jawabannya masih membingungkan ilmuwan. Salah satu

alasannya adalah material yang dipertanyakan sangat rumit, kristal banyak-

lapisan (contohnya, BSCCO), membuat pemodelan teoritis sulit. Namun

dengan penemuan baru dan penting dalam bidang ini, banyak peneliti optimis

bahwa pemahaman lengkap terhadap proses ini dapat terjadi dalam satu

dekade mendatang.

6.2 Jenis Superkonduktor Suhu-Rendah

Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih kecil

dari 23 K. Superkonduktor jenis ini sudah ditinggalkan karena

biaya yang mahal untuk mendinginkan bahan.

6.3 Suhu Pemadaman

Suhu pemadaman merupakan batas suhu untuk merusak sifat

superkonduktor. Artinya pada suhu ini superkonduktor akan rusak


Pada grafik diatas dapat kita lihat bahwasanya makin tinggi suhu yang

diberikan pada bahan superkonduktor, maka struktur Kristal superkonduktor

tidak lagi berbentuk ortorombik. Maka dengan adanya perubahan struktur

kristal superkonduktor, suatu bahan akan kehilangan sifat superkonduktornya.

Grafik diatas menunjukan hubungan antara suhu kritis dengan suhu

bahan superkonduktor. Jika suhu yang diberikan pada bahan superkonduktor

makin besar, maka suhu kritis bahan akan mendekati nilai nol Kelvin.

BAB VII

SINTESIS SUPERKONDUKTOR

7. SINTESIS SUPERKONDUKTOR

7.1 Sampel YBa2Cu3O7


Bahan-bahan yang diperlukan untuk membuat sampel YBa2Cu3O7 adalah

Y2O3, BaCO3, CuO. Langkah-langkah sintesis Sampel YBa2Cu3O7

diantaranya :

1. Persiapan bahan dengan komposisi awal dengan menggunakan

perbandingan molar off-stokiometri.

2. Pencampuran dan penggerusan pertama di dalam mortar agate.

3. Kalsinasi pada suhu 9400 C selama 24 jam.

4. Pendinginan pada suhu kamar.

5. Sintering pada suhu 9400 C.

6. Pendinginan dalam tungku.

7.2 Sampel BPSCCO-2223

Bahan-bahan yang diperlukan untuk melakukan sintesis bahan Sampel

BPSCCO-2223 adalah Bi2O3, PbO, SrCO3, CuO, CaCO3.

Langkah-langkah sintesis Superkonduktor Sampel BPSCCO-2223 terdiri

dari :

1. Persiapan bahan dengan komposisi awal dengan menggunakan

perbandingan molar off-stokiometri.

2. Pencampuran dan penggerusan pertama di dalam mortar agate.

3. Kalsinasi pada suhu 8100 C selama 20 jam.

4. Penggerusan kedua.

5. Sintering pada suhu 8300 C.

6. Pendinginan dalam tungku.

Selama proses pembentukan sampel tersebut, sampel akan diujikan

dengan yang diarahkan untuk mengendalikan pewaktuan dari proses sintering

dengan suhu pilihan adalah 8300 C. Setelah proses sintering selesai dalam

waktu yang berkesesuaian (30 jam, 60 jam, 90 jam) maka akan diadakan

beberapa pengujian karakteristik sampel, yaitu:

1. Uji Efek Meissner

2. Uji X-ray Diffraction

3. Pengukuran Suhu Kritis (Tc)


4. Pengukuran Fraksi Volume (FV)

BAB VIII

PLASTIK SUPERKONDUKTOR

8. PLASTIK SUPERKONDUKTOR


Kita pasti tidak asing lagi dengan plastik, material sintetik yang dapat

dilelehkan dan dibentuk menjadi bermacam-macam bentuk. Plastik telah

digunakan dalam semua bidang. Sebagai contoh, plastik digunakan sebagai

pembungkus kabel tembaga (karena sifat insulatornya) yang melindungi manusia

dari sengatan listrik. Kata plastik sendiri berasal dari bahasa Latin plasticus, yang

artinya mudah dibentuk. Plastik dibuat dari polimer organik, yakni molekul

raksasa yang dibangun dari pengulangan atom-atom karbon (monomer karbon).

Di tahun 1970-an, Alan J Heeger, Alan G McDiarmid, dan Hideki Shirakawa

(pemenang Nobel Kimia 2000) berhasil mentransformasikan plastik dari berupa

insulator menjadi konduktor (pengantar listrik). Mereka menggunakan plastik

yang terbuat dari polimer organik terkonjugasi (polimer organik yang ikatan

ganda-duanya berselangseling dengan ikatan tunggalnya) dan menambahkan

pengotor kimia untuk mengubah sifat listrik plastik tersebut. Sejak itu, penelitian

terhadap sifat kelistrikan plastik (dari material organik terkonjugasi) berkembang

pesat.

Plastik-plastik konduktor dan atau semikonduktor telah berhasil dibuat dan

digunakan sebagai material alternatif untuk logam dan semikonduktor anorganik

konvensional. Jendela "pintar" yang secara otomatis dapat menjaga kesejukan

gedung dari panasnya sinar Matahari, dioda emisi cahaya (LED), dan sel surya

merupakan contoh barang-barang elektronik yang memanfaatkan plastik-plastik

tersebut. Meskipun konduktivitas dan semikonduktivitas material plastic telah

diinvestigasi secara ekstensif, namun superkonduktivitas material ini belum

pernah dilaporkan.

Pembuatan plastik superkonduktor yaitu plastik yang tidak memiliki

hambatan di bawah suatu nilai tertentu, ternyata jauh lebih sulit. Tantangan utama

dalam pembuatan plastik superkonduktor adalah mengatasi keacakan struktur

inheren plastik-mirip dengan keacakan untaian mi yang telah dimasak-yang

mencegah interaksi-interaksi elektronik yang penting untuk superkonduktivitas.

Setelah dua puluh tahun, barulah tantangan tersebut dapat diatasi oleh Dr Bertram

Batlogg dan koleganya dari Bell Laboratories di Murray Hill, New Jersey,

Amerika Serikat. Mereka mampu mengatasi tantangan itu melalui pembuatan


larutan yang mengandung plastik, politiofena. Politiofena adalah salah satu jenis

polimer organik terkonjugasi yang berupa semikonduktor pada suhu ruang

sehingga telah digunakan dalam pembuatan komponen optoelektronik terintegrasi

dan sirkuit terintegrasi (IC). Dengan metode penataan sendiri (self-organization),

mereka mampu membuat tumpukan film (lapisan tipis) politiofena yang luar biasa

rapi (remarkably well-ordered), mirip dengan tumpukan untaian mi yang belum

dimasak. Sebagai pengganti pengotor kimia (yang diketahui dapat merusak

kerapian film politiofena), mereka menempatkan film politiofena pada lapisan

aluminium oksida dan elektroda-elektroda emas pada peralatan elektronik yang

dikenal sebagai field-effect transistor. Transistor tersebut menghasilkan medan

listrik yang dapat mengeluarkan elektron dari film politiofena, sehingga elektron

tersisa lebih mudah bergerak dan mengantarkan listrik. Pada suhu minus 455

derajat Fahrenheit (2,35 K), plastic politiofena tersebut bersifat superkonduktor.

Mereka mempublikasikan temuannya dalam jurnal Nature pada tanggal 8 Maret

2001. Plastik superkonduktor tersebut termasuk dalam Chemistry Highlight 2001

menurut Chemical & Engineering News volume 79, 10 Desember 2001.

Dibandingkan dengan material superkonduktor lain, plastik

superkonduktor tersebut termasuk superkonduktor lemah dan suhu kritisnya (suhu

di mana material menjadi superkonduktor) jauh di bawah suhu tinggi.

Superkonduktor suhu tinggi bekerja pada suhu sampai minus 200 derajat

Fahrenheit (sekitar 145 K). Walaupun demikian, plastik superkonduktor diyakini

lebih murah dan lebih mudah dibuat serta dibentuk daripada material

superkonduktor lain. Untuk itu, Batlogg dan kawan-kawan optimistis dapat

meningkatkan suhu kritis plastik superkonduktor tersebut dengan cara mengubah

struktur molekuler plastik itu. Bahkan, Zhenan Bao, kimiawan yang terlibat dalam

penelitian tersebut, mengklaim bahwa metode yang mereka kembangkan dapat

membuat material organik lain menjadi superkonduktor. Di akhir artikelnya, para

peneliti Bell Labs tersebut mencatat bahwa plastik superkonduktor pertama yang

telah mereka temukan memungkinkan diaplikasikan dalam bidang elektronika

superkonduksi dan computer masa depan yang menggunakan kalkulasi mekanika

kuantum. Walaupun usia plastic superkonduktor baru sekitar satu tahunan dan


belum diaplikasikan, namun yang pasti pencapaian ini merupakan terobosan yang

membuka cakrawala baru ilmu dan teknologi superkonduktor.


superkonduktor

Documents