Tekst źródłowy strony Nadprzewodnictwo

[[Plik:Magnet 4.jpg|mały|Namagnesowany przedmiot [[lewitacja (technika)|lewituje]] nad nadprzewodnikiem schłodzonym poniżej temperatury przejścia]]
[[Plik:Superconducting magnet. The effect of a constant magnetic field.jpg|mały|Monety stojące pod nieekranowanym magnesem nadprzewodzącym.]]
'''Nadprzewodnictwo''' – stan materiału polegający na zerowej [[rezystancja|rezystancji]], jest osiągany w niektórych materiałach w niskiej temperaturze<ref>{{Encyklopedia PWN | tytuł = Nadprzewodnictwo | id = 3945225 | data dostępu = 2021-07-22}}</ref>.

Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 przez [[Heike Kamerlingh Onnes|Kamerlingha Onnesa]]<ref name="ko">{{Cytuj pismo |autor = H.K. Onnes |tytuł = The resistance of pure mercury at helium temperatures |czasopismo = Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden |wolumin = 12 |strony = 120 |rok = 1911}}</ref>. Jest to [[zjawisko kwantowe]], niemożliwe do wyjaśnienia na gruncie [[fizyka klasyczna|fizyki klasycznej]]. Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej objętości [[pole magnetyczne|pola magnetycznego]] ([[efekt Meissnera]]).

Nadprzewodnictwo jest obserwowane w różnorodnych materiałach: niektórych [[pierwiastek chemiczny|pierwiastkach]] (na przykład w [[cyna|cynie]], [[rtęć|rtęci]] i [[ołów|ołowiu]]), [[stop metali|stopach]], ceramikach tlenkowych czy materiałach organicznych.

== Właściwości fizyczne nadprzewodników ==
Podstawową cechą charakteryzującą nadprzewodniki jest spadek do zera ich oporu elektrycznego (rezystancji) poniżej pewnej temperatury, nazywanej temperaturą krytyczną. Temperatura ta zależy od rodzaju (składu chemicznego i struktury) materiału, a także od czynników zewnętrznych – ciśnienia i pola magnetycznego.

Drugim charakterystycznym dla nadprzewodników efektem jest wypychanie z materiału pola magnetycznego, zwane [[efekt Meissnera|efektem Meissnera]] (w nadprzewodnikach pierwszego rodzaju), lub skupianie pola magnetycznego w „wiry” (w nadprzewodnikach drugiego rodzaju).

== Rodzaje nadprzewodników ==
[[Plik:Timeline of Superconductivity from 1900 to 2015.svg|thumb|559px|W sierpniu 2018 roku osiągnięto nadprzewodnictwo w 215 K<ref>{{Cytuj |autor = A.P. Drozdov, V.S. Minkov, S.P. Besedin, P.P. Kong, M.A. Kuzovnikov |tytuł = Superconductivity at 215 K in lanthanum hydride at high pressures |czasopismo = arXiv: [cond-mat] |data = 2018-08-21 |data dostępu = 2018-12-21 |arxiv = 1808.07039}}</ref>, a w grudniu w 250 K<ref>{{Cytuj |autor = A.P. Drozdov, P.P. Kong, V.S. Minkov, S.P. Besedin, M.A. Kuzovnikov |tytuł = Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures |czasopismo = arXiv: [cond-mat] |data = 2018-12-04 |data dostępu = 2018-12-21 |arxiv = 1812.01561}}</ref>. W marcu 2019 rekord wynosił już 280 K<ref>{{Cytuj |tytuł = APS -APS March Meeting 2019 – Event – Near room temperature superconductivity in superhydrides at megabar pressures |data dostępu = 2019-03-04 |wydawca = American Physical Society |czasopismo = Bulletin of the American Physical Society |url = http://meetings.aps.org/Meeting/MAR19/Session/B17.1}}</ref>.]]

Na podstawie różnych kryteriów można wydzielić różne grupy nadprzewodników:
* Ze względu na właściwości fizyczne:
** '''nadprzewodniki I rodzaju''', w których przy określonym krytycznym polu magnetycznym ''B<sub>C</sub>'' dochodzi do zniszczenia stanu nadprzewodzącego,
** '''nadprzewodniki II rodzaju''', w których przy określonym polu magnetycznym ''B<sub>C1</sub>'' dochodzi do wnikania pola magnetycznego do nadprzewodnika i utworzenia stanu mieszanego, a powyżej pola ''B<sub>C2</sub>'' zachodzi zniszczenie stanu nadprzewodzącego.
* Ze względu na skład chemiczny i budowę:
** niektóre pierwiastki (na przykład rtęć, kadm, ołów, [[cynk]], cyna, glin, iryd, platyna), inne przechodzą w stan nadprzewodnictwa tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem (na przykład tlen, [[fosfor]], siarka, german, żelazo<ref>{{Cytuj pismo |autor = K. Shimizu i inni |tytuł = Superconductivity in the non-magnetic state of iron under pressure |czasopismo = Nature |wolumin = 412 |strony = 316 |rok = 2001 |doi = 10.1038/35085536}} Przy wysokim ciśnieniu żelazo traci właściwości ferromagnetyczne i po osiągnięciu 20GPa przechodzi w stan nadprzewodnictwa w temperaturze 1.8K.</ref>, lit<ref>{{Cytuj pismo |autor = K. Shimizu i inni |tytuł = Superconductivity in compressed lithium at 20 K |czasopismo = Nature |wolumin = 419 |strony = 597 |rok = 2002 |doi = 10.1038/nature01098}} Przy ciśnieniu 48GPa lit przechodzi w stan nadprzewodnictwa w temperaturze 20K, co jak dotychczas jest najwyższą temperaturą krytyczną osiągniętą dla pierwiastka.</ref>) lub w postaci cienkich warstw (wolfram, beryl, chrom<ref>{{Cytuj pismo |autor = M.B. Brodsky |tytuł = Superconductivity in Au/Cr/Au epitaxial metal film sandwiches (EMFS) |czasopismo = Solid State Communications |wolumin = 42 |strony = 675 |rok = 1981 |doi = 10.1016/0038-1098(82)90815-8}}</ref>); jeszcze innych nie dało się jak dotychczas przeprowadzić w stan nadprzewodnictwa (na przykład srebro, miedź, złoto, gazy szlachetne<ref>Ksenon przy ciśnieniu 155GPa przechodzi w stan metaliczny, ale jak dotychczas nie zaobserwowano śladów nadprzewodnictwa. {{Cytuj pismo |autor = M.I. Eremets i inni |tytuł = Electrical Conductivity of Xenon at Megabar Pressures |czasopismo = Physical Review Letters |wolumin = 85 |strony = 2797 |rok = 2000 |doi = 10.1103/PhysRevLett.85.2797}}</ref>, wodór<ref>Pod dużym ciśnieniem wykryto w wodorze ciekłą fazę metaliczną, ale jak dotychczas nie zaobserwowano efektów nadprzewodnictwa. {{Cytuj pismo |autor = W.J. Nellis i inni |tytuł = Minimum metallic conductivity of fluid hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) |czasopismo = Physical Review B |wolumin = 59 |strony = 3434 |rok = 1999 |doi = 10.1103/PhysRevB.59.3434}}</ref><ref>Teoretycznie postuluje się występowanie nadprzewodnictwa w wodorze pod ekstremalnie dużym ciśnieniem: {{Cytuj pismo |autor = R. Szczęśniak, M.W. Jarosik |tytuł = The superconducting state in metallic hydrogen under pressure at 2000 GPa |czasopismo = Solid State Communications |wolumin = 149 |strony = 2053–2057 |rok = 2009 |doi = 10.1016/j.ssc.2009.08.019}}</ref>),
** stopy i związki międzymetaliczne, takie jak na przykład NbTi,
** [[związki organiczne]], w tym [[alotropia|odmiany alotropowe]] węgla ([[fulereny]], [[nanorurki]]<ref>{{Cytuj pismo |autor = Z. K. Tang i inni |tytuł = Superconductivity in 4 Angstrom Single-Walled Carbon Nanotubes |czasopismo = Science |wolumin = 292 |strony = 2462 |rok = 2001 |doi = 10.1126/science.1060470}}</ref>),
** tlenkowe związki miedzi i [[Żelazo|żelaza]] o strukturze [[Perowskity|perowskitu]] zarówno w postaci [[ceramika|ceramik]], jak i [[monokryształ]]ów.
* Ze względu na stosowaną metodę opisu:
** nadprzewodniki konwencjonalne, które dają się dobrze opisać [[teoria BCS|teorią BCS]],
** nadprzewodniki niekonwencjonalne, które jeszcze nie posiadają ogólnie akceptowanej teorii tłumaczącej w zadowalający sposób ich właściwości.
* Ze względu na temperaturę przejścia w stan nadprzewodnictwa:
** nadprzewodniki niskotemperaturowe, o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa poniżej temperatury wrzenia [[ciekły azot|ciekłego azotu]] (77 K),
** [[nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe|nadprzewodniki wysokotemperaturowe]], o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu. Niegdyś nazywano tak ceramiczne półprzewodniki tlenkowe, ale wobec odkrywania nowych grup materiałów nadprzewodzących taka konwencja przestała być używana.
* Istnieje grupa nadprzewodników ferromagnetycznych, na przykład UGe<sub>2</sub><ref>{{Cytuj pismo |autor = S.S. Saxena i inni |tytuł = Superconductivity on the border of itinerant-electron ferromagnetism in UGe<sub>2</sub> |czasopismo = Nature |wolumin = 406 |strony = 587 |rok = 2000 |doi = 10.1038/35020500}}</ref>, URhGe<ref>{{Cytuj pismo |autor = Dai Aoki i inni |tytuł = Coexistence of superconductivity and ferromagnetism in URhGe |czasopismo = Nature |wolumin = 413 |strony = 613 |rok = 2001 |doi = 10.1038/35098048}}</ref>.

== Historia ==
[[Plik:Superconductivity 1911.gif|mały|Spadek oporu elektrycznego rtęci przy przejściu poniżej temperatury krytycznej (rysunek zaczerpnięty z oryginalnej pracy Kamerlingha Onnesa)]]

Zjawisko nadprzewodnictwa zostało odkryte w 1911 przez Heike Kamerlingha Onnesa podczas szeroko zakrojonych badań właściwości materiałów w niskich temperaturach w zorganizowanym przez niego laboratorium kriogenicznym w Lejdzie. Do badań wykorzystano rtęć, gdyż stosunkowo łatwo było ją otrzymywać w stanie o bardzo dużej czystości. W trakcie pomiarów jej oporu elektrycznego w temperaturze 4,2 K zaobserwowano jego spadek o wiele rzędów wielkości<ref name="ko" />. Za to odkrycie otrzymał [[nagroda Nobla|nagrodę Nobla]] w 1913.

W 1913 w laboratorium w Lejdzie skonstruowano magnes nadprzewodzący, wytwarzający duże pola magnetyczne. Wykryto przy tym czułość zjawiska nadprzewodnictwa na pole magnetyczne.

W 1933 niemieccy fizycy [[Fritz Walther Meissner|Fritz Meissner]] i [[Robert Ochsenfeld]] odkryli efekt wypychania pola magnetycznego z nadprzewodnika<ref>{{Cytuj pismo |autor = W. Meissner und R. Ochsenfeld |tytuł = Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit |czasopismo = Naturwissenschaften |wolumin = 21 |strony = 787 |rok = 1933 |doi = 10.1007/BF01504252}}</ref>.

W 1935 roku bracia [[Fritz London|Fritz]] i [[Heinz London|Heinz]] Londonowie zaproponowali fenomenologiczny model nadprzewodnika opisujący zanik oporu elektrycznego oraz zjawiska Meissnera.

W 1950 roku dwie niezależne grupy wykryły [[efekt izotopowy]] – zależność temperatury przejścia w stan nadprzewodnictwa od liczby masowej [[Izotopy|izotopu]]. Nasunęło to wniosek, że efekt nadprzewodnictwa zależy nie tylko od nośników ładunku, ale także od właściwości jonów sieci krystalicznej<ref>{{Cytuj pismo |autor = C.A. Reynolds i inni |tytuł = Superconductivity of Isotopes of Mercury |czasopismo = Phys. Rev. |wolumin = 78 |strony = 487 |rok = 1950 |doi = 10.1103/PhysRev.78.487}}</ref><ref>{{Cytuj pismo |autor = E. Maxwell |tytuł = Isotope Effect in the Superconductivity of Mercury |czasopismo = Phys. Rev. |wolumin = 78 |strony = 477 |rok = 1950 |doi = 10.1103/PhysRev.78.477}}</ref>.

W 1952 [[Witalij Ginzburg]] zaproponował do wyjaśnienia procesu nadprzewodnictwa koncepcję łączenia się elektronów w grupy o parzystej liczbie.

W 1957 [[John Bardeen]], [[Leon Cooper]] i [[John Robert Schrieffer|John Schrieffer]] stworzyli teorię BCS, wyjaśniającą mechanizm powstania zjawiska nadprzewodnictwa. W 1972 otrzymali za to osiągnięcie nagrodę Nobla.

W 1973 Leo Esaki, Ivar Giaever, Brian D. Josephson otrzymali nagrodę Nobla za prace dotyczące [[tunelowanie Josephsona|zjawisk tunelowych]] w nadprzewodnikach.

W 1986 [[Johannes Georg Bednorz|Georg Bednorz]] i [[Karl Alexander Müller|Alex Müller]] odkryli w tlenkowym związku Ba-La-Cu-O nadprzewodnictwo w temperaturze krytycznej 35 K. Otrzymali za to nagrodę Nobla w 1987.

W 2003 Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg, Anthony J. Leggett otrzymali nagrodę Nobla za pionierski wkład w teorię nadprzewodnictwa i [[nadciekłość|nadciekłości]].

== Podstawy fizyczne zjawiska ==
Istotą powstania stanu nadprzewodnictwa jest powstanie par nośników ładunku ([[para Coopera|pary Coopera]]). Pary takie mogą powstać w wyniku łączenia się dwóch elektronów posiadających energię bliską [[Poziom Fermiego|energii Fermiego]] nawet wtedy, gdy energia wiążącego je oddziaływania jest bardzo mała<ref>{{Cytuj pismo |autor = L. Cooper |tytuł = Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas |czasopismo = Physical Review |wolumin = 104 |strony = 1189 |rok = 1956 |doi = 10.1103/PhysRev.104.1189}}</ref>. Zmienia to właściwości elektryczne materiału, gdyż pojedyncze nośniki są [[Fermiony|fermionami]], a pary [[Bozony|bozonami]].

Do opisu klasycznych nadprzewodników niskotemperaturowych stosuje się [[teoria BCS|teorię BCS]] opisującą oddziaływanie wiążące nośniki w wyniku odkształceń sieci krystalicznej. Na skutek zaniku [[drgania|drgań]] anharmonicznych sieci krystalicznej materiału w niskiej temperaturze pojawia się sprzężenie pomiędzy elektronami przewodnictwa i stanami [[fonon]]owymi w sieci. Sprzężenie to pozwala na „sparowanie” elektronów. W modelu BCS para Coopera to rodzaj [[Kwazicząstka|wzbudzenia]] elektronowo-fononowego: są to dwa [[elektron]]y związane ze sobą dzięki oddziaływaniu z [[sieć krystaliczna|siecią krystaliczną]], czyli wymianie fononów.

Istnieją także nadprzewodniki, w których w pary Coopera łączą się nie [[elektron]]y, lecz dziury. Przewodnictwo dziurowe wykazuje większość nadprzewodników drugiego rodzaju (wyjątkiem jest np. Nd<sub>2-x</sub>Ce<sub>x</sub>Cu<sub>4-δ</sub>).

Pary Coopera, będące [[Bozony|bozonami]], mogą się skondensować na jednym [[poziom energetyczny|poziomie energetycznym]]. Dla materiałów nadprzewodzących poziom ten jest odseparowany od innych poziomów przerwą energetyczną oraz charakteryzuje się niezerowym pędem: pary się poruszają. W niskiej temperaturze żadna z par nie może się „wyswobodzić”, bo musiałaby pokonać przerwę energetyczną, a to wymaga energii, która w normalnym materiale jest dostarczana dzięki drganiom anharmonicznym sieci krystalicznej. W niskiej temperaturze drgania te jednak nie występują, obecne są tylko [[Ruch harmoniczny|drgania harmoniczne]].

W efekcie pary są trwałe i muszą się poruszać: tak powstaje ruch ładunków i stąd wynika jego odporność na zaburzenia. Istotą zjawiska nadprzewodnictwa jest jego kolektywny charakter oraz fakt, że nośnikami [[prąd elektryczny|prądu elektrycznego]] są w nadprzewodnikach ''pary elektronowe'' o ładunku 2[[Ładunek elektryczny elementarny|e]].

== Teorie nadprzewodnictwa ==
=== Teoria Londonów ===
{{osobny artykuł|teoria Londonów}}
Pierwszym teoretycznym opisem zjawiska nadprzewodnictwa był fenomenologiczny model zaproponowany w 1935 roku przez braci Londonów. Wyjaśniał on zanik oporu elektrycznego oraz odkryte parę lat wcześniej zjawisko Meissnera. Umożliwił również wyprowadzenie zależności opisującej głębokość wnikania pola magnetycznego w nadprzewodniki<ref name="doom">{{Cytuj książkę |autor = Jan Stankowski, Borysław Czyżak |tytuł = Nadprzewodnictwo |wydawca = WNT |rok = 1999 |miejsce = Warszawa |isbn = 83-204-2225-6}}</ref>.

=== Teoria Ginzburga-Landaua ===
[[Witalij Ginzburg|Ginzburg]] i [[Lew Landau|Landau]] zaproponowali [[Teoria nadprzewodnictwa Ginzburga-Landaua|fenomenologiczną teorię nadprzewodnictwa]], opartą na opracowanej wcześniej przez Landaua teorii przejść fazowych<ref name="doom" />.

=== Teoria mikroskopowa Bardeena, Coopera i Schrieffera (BCS) ===
{{osobny artykuł|teoria BCS}}
W 1950 roku Fröhlich wykazał, że oddziaływanie elektron–[[fonon]] jest w stanie związać ze sobą dwa elektrony. Cooper w 1956 roku wykazał, że dwa elektrony, których wzajemne oddziaływanie jest na tyle słabe, że nie mogłyby one same utworzyć stanu związanego, będą mogły związać się w parę w obecności innych elektronów. Nazwano je [[Para Coopera|parami Coopera]].

Zaproponowana 1957 roku mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa zakładała istnienie przyciągającego oddziaływania między elektronami znajdującymi się w pobliżu powierzchni Fermiego przenoszonego za pośrednictwem drgań sieci. Wraz ze wzrostem temperatury coraz więcej par ulega rozerwaniu i jednocześnie maleje szerokość [[Przerwa energetyczna|przerwy energetycznej]]. W temperaturze krytycznej szerokość przerwy maleje do zera i wszystkie pary ulegają rozerwaniu. Teoria BCS tłumaczy również brak oporu elektrycznego nadprzewodników. W łączeniu się par Coopera biorą udział elektrony o przeciwnych pędach, tak, że wypadkowy pęd pary (gdy nie płynie prąd) jest równy zeru<ref name="doom" />.

== Poszukiwania i zastosowania materiałów nadprzewodzących ==
{| border=1 cellpadding=2 cellspacing=0 align=right style="margin-left:1em;"
|'''Metal'''
|'''T<sub>C</sub>''' [K]
|'''T<sub>C</sub>''' [°C]
|-
| [[Glin|Al]]
| 1,2
| –271,95
|-
| [[ind|In]]
| 3,4
| –269,75
|-
| [[Cyna|Sn]]
| 3,7
| –269,45
|-
| [[rtęć|Hg]]
| 4,2
| –268,95
|-
| [[Tantal (pierwiastek)|Ta]]
| 4,5
| –268,65
|-
| [[wanad|V]]
| 5,4
| –267,75
|-
| [[Ołów|Pb]]
| 7,2
| –265,95
|-
| [[Niob|Nb]]
| 9,3
| –263,85
|}

Ciągle poszukuje się substancji o jak najniższej [[rezystywność|rezystywności]]. Obecnie substancjami o najniższej rezystywności w temperaturze pokojowej są [[srebro]] i [[miedź]].

Podczas analizy właściwości metali i [[stop metali|stopów]] zauważono, że ich rezystywność maleje wraz ze spadkiem [[temperatura|temperatury]]. W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu niektóre [[Substancja (fizyka)|substancje]] stają się nadprzewodnikami, co potwierdzono empirycznie (bez źródła napięcia utrzymano przepływ stałej wartości prądu w pętli przez około 2 lata, przerywając po tym czasie doświadczenie jako zbyt kosztowne). Do substancji takich należą [[Glin|aluminium]], [[cyna]] oraz wiele innych metali i niektóre [[półprzewodniki]]. Dobre właściwości mają również [[spiek]]i i związki [[miedź|miedzi]] i [[tlen]]u. Nadprzewodnictwo nie występuje w metalach szlachetnych (złoto, srebro).

Postęp nauki przyczynia się do poznawania substancji, które umożliwiają bezstratny przepływ prądu w coraz wyższych temperaturach. Wciąż jednak jest to temperatura zbyt niska dla praktycznych zastosowań i wykorzystanie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w masowych zastosowaniach. Oczekuje się odkrycia taniego nadprzewodnika, który pracowałby w temperaturze normalnej (a więc do ok. 20&nbsp;[[Skala Celsjusza|°C]]).

== Zastosowania nadprzewodników ==
=== Nadprzewodzące przewody ===
[[Plik:CERN-cables-p1030764.jpg|thumb|300px|Kable zdolne przewodzić prąd 12&nbsp;500&nbsp;A – u&nbsp;góry konwencjonalne, na dole nadprzewodzący]]
Nadprzewodniki ze względu na swoją zerową oporność największe nadzieje budzą w branży energetycznej. Parametrami stanowiącymi o przydatności danego nadprzewodnika do celów technicznych są temperatura, pola i prądy krytyczne. Najbardziej obiecującymi nadprzewodnikami II rodzaju na przewody są materiały na bazie [[niob]]u (Nb, Nb<sub>3</sub>Sn, Nb-Ti i NbN) oraz na bazie [[Ołów|ołowiu]] (PbMo<sub>6</sub>Ti<sub>8</sub>).

Na przewody stosuje się podłoże z elastycznego materiału zawierające ścieżkę nadprzewodzącą. Najprostszy przewód stanowi pręt lub rura miedziana pokryta warstwą nadprzewodnika. Coraz częściej stosowane są wielościeżkowe przewody Nb-Ti w matrycy miedzianej. Jest to tani materiał stosowany głównie w elektromagnesach nadprzewodzących. Możliwe jest również zastosowanie Nb<sub>3</sub>Sn, jednakże jego wytworzenie jest trudne oraz bardzo drogie<ref name="doom" />.

=== Nadprzewodzące linie przesyłowe ===
Zmorą dużego zapotrzebowania na energię są straty przy przesyle owej energii do odbiorcy. Nadprzewodzące linie przesyłowe są lekarstwem na ten problem. W tzw. kriokablach stosowane są dwa rozwiązania:
* normalny kabel schładzany do niskiej temperatury
* kabel nadprzewodzący

W pierwszym przypadku kabel miedziany lub aluminiowy ochładza się do temperatury [[Przechowywanie wodoru#Wodór w stanie ciekłym|ciekłego wodoru]] (20 K) i ich [[Rezystywność|oporność właściwa]] zmniejsza się 1000 razy. Kabel nadprzewodzący jest bardziej skomplikowany. W obiegu takiej linii musi płynąć [[ciekły hel]]. Na sprężystym karkasie znajduje się elastyczny nadprzewodnik oddzielony izolacją od wewnętrznej rury prowadzącej ciekły hel. Kolejną warstwą jest płaszcz próżniowy w którym znajduje się ekran chłodzony odparowanym [[Hel (pierwiastek)|helem gazowym]]. Za zewnętrzną ścianką rury Dewara helowego znajduje się płaszcz azotowy. Najbardziej zewnętrznymi warstwami są izolacja próżniowa oraz osłona kabla. Stosowanie kabla nadprzewodzącego jest opłacalne, gdy przenoszona moc jest większa od jednego [[Wat|gigawata]]<ref name="doom" />.

=== Nadprzewodzące elektromagnesy ===
Nadprzewodzący [[elektromagnes]] stanowi cewka wykonana z wielu zwoi drutu nadprzewodzącego, zanurzona w cieczy chłodzącej (zwykle w ciekłym [[Hel (pierwiastek)|helu]]) i zasilana prądem elektrycznym. Dzięki nadprzewodnictwu taki elektromagnes generuje bardzo silne [[pole magnetyczne]], rzędu nawet 10<sup>6</sup> A/m w objętości rzędu 1 m³, przy niewielkim poborze energii, która zużywana jest głównie do utrzymania helu w niskiej temperaturze.

Nadprzewodzące elektromagnesy są stosowane w aparatach obrazowania metodą rezonansu magnetycznego MRI (np. do badania obrazowego mózgu), w spektroskopach [[Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego|NMR]] (do obrazowania reakcji chemicznych), w [[Akcelerator cząstek|akceleratorach cząstek elementarnych]]<ref name="doom" />, w [[nadprzewodnikowy zasobnik energii|nadprzewodnikowych zasobnikach energii]], w przemysłowych generatorach [[plazma|plazmy]].

Pole magnetyczne w centrum cewki określa równanie:
: <math>H_0=\frac{NI}{a_1}\cdot\frac{1}{2\beta (\alpha - 1)}\cdot F(\alpha, \beta),</math>

gdzie:
: <math>H_0</math> – [[natężenie pola magnetycznego]],
: <math>N</math> – ilość zwojów cewki,
: <math>I</math> – natężenie prądu elektrycznego,
: <math>\alpha</math> – parametr geometryczny cewki,
: <math>\beta</math> – parametr geometryczny cewki,
: <math>F(\alpha,\beta)</math> – funkcja zależna od geometrii cewki.

Wyróżnia się:
* cewki krótkie (β << α i β < 1),
* cewki długie (a<sub>1</sub>β >> a<sub>2</sub> > a<sub>1</sub>).

=== Trakcja na poduszce magnetycznej ===
{{osobny artykuł|Kolej magnetyczna}}
Pomysł pojazdu na poduszce magnetycznej został opisany pierwszy raz w 1909 roku przez [[Robert Goddard (wynalazca)|Roberta Goddarda]]. Pierwszy patent pojawił się w 1912 roku i został wniesiony przez [[Emil Backelet|Emila Backeleta]]. Dopiero w drugiej połowie XX wieku pojawił się pierwszy projekt wykorzystania nadprzewodników w [[Kolej magnetyczna|kolei magnetycznej]]. Wykrystalizowały dwa główne nurty osiągnięcia tego efektu. Pierwszy z nich opierał się na zastosowaniu przyciągających się, silnych magnesach, drugi zaś w oparciu o „poduszkę” odpychających się magnesów. Poduszka magnetyczna jest wytwarzana przez szereg ułożonych obok siebie zwojnic, ale pole magnetyczne porusza się stosownie do pojazdu<ref name="doom" />.

=== Tranzystor nadprzewodzący ===
[[Tunelowanie Josephsona|Zjawisko Josephsona]] zostało zastosowane w konstrukcji nadprzewodzących [[tranzystor]]ów. Pierwszy tranzystor nadprzewodzący został skonstruowany w 1994 roku i zastosowano do tego cienkowarstwowe glinowe elektrody nadprzewodzące połączone z zewnętrznymi elektrodami miedziowymi. Wielkość tranzystora nie przekroczyła 3 μm<ref name="doom" />.

=== Supertrony – nadprzewodzące soczewki wiązek elektronów ===
Gdy wiązka elektronów przechodzi przez [[tubus]] nadprzewodzący to na skutek zjawiska Meissnera pole magnetyczne wytwarzane przez wiązkę jest odpychane od wewnętrznych ścian tubusu. Objawia się to ogniskowaniem wiązki elektronów. Zdolność skupiająca soczewki można przedstawić w postaci:
: <math>F = \frac{D}{2r_F} \cdot \frac{I_m}{I_a} \cdot \frac{r_{90}}{r_{10}},</math>

gdzie:
: <math>D</math> – wewnętrzna średnica wyjścia z soczewki,
: <math>r_F</math> – szerokość rozkładu gęstości prądu związanego z przepływem wiązki mierzoną w poprzek soczewki,
: <math>I_m</math> – maksymalna gęstość prądu wiązki elektronów,
: <math>I_a</math> – średnia gęstość prądu otrzymana przez podzielenie całkowitej gęstości prądu przez powierzchnię przekroju wyjścia soczewki,
: <math>r_{90}</math> – promień wiązki mierzony w 90% maksymalnego natężenia,
: <math>r_{10}</math> – promień wiązki mierzony w 10% maksymalnego natężenia.

Zdolność skupiająca soczewek elektronowych wytworzonych z nadprzewodników wysokotemperaturowych zależy od temperatury krytycznej nadprzewodnika.
Soczewki wiązek elektronowych mogą być wykorzystane do emitowania spójnego [[Promieniowanie elektromagnetyczne|promieniowania elektromagnetycznego]]<ref name="doom" />.

=== Łożyska nadprzewodzące ===
{{osobny artykuł|Łożysko magnetyczne}}
Zjawisko lewitacji magnesu nad nadprzewodnikiem zostało zastosowane w konstrukcji łożysk. Jednym z problemów materiałowych przy konstrukcji wykorzystaniu łożysk nadprzewodzących jest pułapkowanie strumienia magnetycznego w nadprzewodniku chłodzonym w obecności pola magnetycznego indukowanego przez pobliski magnes. Zmuszało to konstruktorów do demontowania urządzeń przed każdym chłodzeniem. Dopiero zastosowanie [[Tekstura krystaliczna|teksturowanego]] nadprzewodnika YBaCuO pozwoliło przełamać impas. Część stała łożyska była wykonana z tego nadprzewodnika wysokotemperaturowego, natomiast część wirująca była magnesem stałym. Magnes był odpychany od nadprzewodnika siłami lewitacji i osiągnięto prędkość 135 000 obrotów/min.<ref name="doom" />

=== Bolometry ===
{{osobny artykuł|Bolometr}}
Bolometr jest urządzeniem do detekcji promieniowania. Składa się z elementu absorbującego promieniowanie oraz z opornościowego [[termometr]]u. Zaletą takiego bolometru jest możliwość detekcji promieniowania w szerokim zakresie [[Częstotliwość|częstotliwości]], również fal milimetrowych lub dalekiej podczerwieni. Istnieje też możliwość pomiaru bezwzględnych wielkości mocy promieniowania. Wadą bolometru jest długi czas reakcji. Szybkość odpowiedzi takich urządzeń jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności cieplnej C:
: <math>C = \tau \cdot G.</math>

Mechanika działania bolometru opiera się na poniższym równaniu:
: <math>\Delta T = \frac{P}{G}\cdot \frac{1}{(1+\omega^2\tau^2)^{1/2}},</math>

gdzie:
: <math>\Delta T</math> – przyrost temperatury bolometru wywołany absorpcją promieniowania,
: <math>P</math> – moc absorbowanego promieniowania,
: <math>G</math> – współczynnik przewodnictwa cieplnego,
: <math>\tau</math> – stała czasowa bolometru.

W konstrukcji bolometrów wykorzystuje się silną zależność oporności nadprzewodnika od temperatury w zakresie przejścia do stanu nadprzewodzącego<ref name="doom" />.

=== SQUID ===
{{osobny artykuł|SQUID}}
Nadprzewodzący [[interferometr]] kwantowy znalazł zastosowanie w elektronice bardzo słabych sygnałów. Wykorzystuje się do tego interferencję oscylacji kwantowych występujących w równoległym obwodzie nadprzewodzącym dwóch złączy Josephsona.
Wyróżnia się kilka typów tej technologii:
* SQUID (nadprzewodzący interferometr kwantowy),
* DC-SQUID (nadprzewodzący interferometr kwantowy prądu stałego),
* RF-SQUID (nadprzewodzący interferometr kwantowy częstotliwości radiowej),
* [[NS-QUID]],
* [[pikowoltomierz SQUID-owy]],
* [[transformator strumienia magnetycznego]]<ref name="doom" />.

== Zobacz też ==
{{wikisłownik|nadprzewodnictwo}}
* [[półprzewodniki]]
* [[przewodnictwo elektryczne]]
* [[przewodnik elektryczny]]

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Linki zewnętrzne ==
* [http://arxiv.org/abs/1109.0711 arxiv.org/1109.0711 K.I. Wysokiński, ''Nadprzewodnictwo – pierwsze 100 lat'']
* {{Pismo Delta | url = 2024/03/nadprzewodniki-gdzie-ich-szukac/ | autor = Krzysztof Byczuk | tytuł = Nadprzewodniki – gdzie ich szukać? | data = marzec 2024 | data dostępu = 2024-03-25}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Nadprzewodnictwo| ]]
[[Kategoria:Zjawiska kwantowe]]