Supraledning - vad är det?

För drygt tio år sedan lät svävande tåg och fusionsreaktorer som ren science fiction. Med dagens supraledarteknologi är dessa redan verklighet. Det handlar bara om att få bort det elektriska motståndet.

Så här fungerar det

Supraledning upptäcktes 1911 i Leiden av vetenskapsmannen Kammerling-Onnes. Han hade några år tidigare vunnit den tävlan som pågick mellan tidens lågtemperaturlaboratorier, nämligen att uppnå temperaturen då helium övergår från gas till flytande tillstånd.

En stor fråga bland fysikerna kring sekelskiftet var vad som skulle hända med det elektriska motståndet när temperaturen hos en ledare närmade sig den absoluta nollpunkten. När en gas är varm rör sig molekylerna i gasen snabbt. Omvänt rör sig molekylerna långsamt när den blir kallt, och när alla molekylerna är stilla har man uppnått den absoluta nollpunkten. Temperaturen ligger då på ungefär -273,15° C, eller 0 K på Kelvinskalan.

Det fanns på den tiden två olika teorier om vad som skulle hända med det elektriska motståndet vid mycket låga temperaturer. Den första teorin förutsade att det motsåndet skulle bli oändligt stort, eftersom elektronerna skulle sluta röra på sig, och därmed inte kunna transportera ström.

Den andra teorin sade att vid 0 K skulle all rörelse som motverkar elektronernas rörelse ha avstannat, och därmed skulle motståndet gå mot noll. Elektrisk resistans uppstår när elektronernas rörelse bromsas av atomernas rörelser eller andra störningar i ledaren.

När nu Kammerling-Onnes laboratorium kunde tillverka flytande helium var han nu först med att undersöka de elektriska egenskaperna hos kvicksilver, som var den renaste metall man då kunde tillverka. Det han upptäckte var ett tredje, helt oväntat alternativ, nämligen att motståndet i den nedkylda ledaren plötsligt försvann vid en viss temperatur.

Det elektriska motståndet är noll

Denna märkliga egenskap hos vissa metaller kallas för supraledning. När ledaren befinner sig under den kritiska temperaturen är den alltså i supraledande tillstånd, och över den kritiska temperaturen i normalt tillstånd.

Att något mätvärde är lika med noll är svårt att bevisa med experiment. Värdet noll går ju inte att mäta. Ju finare instrument man har, desto mindre kommer felmarginalen att bli.

Det bästa experimentet för att mäta ett litet elektriskt motsstånd är att mäta hur lång tid det tar för en elektrisk ström att försvinna när vi bryter strömmen. För en vanlig elektrisk apparat tar den ca 0,000 000 000 0001 sekund för strömmen att sluta gå när vi drar ur kontakten.

För motsvarande supraledande krets kan man mäta någon försvagning av strömmen tre år efter att strömkällan kopplats ur. Tre år är nästan 100 000 000 sekunder.

Vi antar att den elektriska apparetens ledare huvudsakligen består av koppar. Det högsta värdet supraledarens resistans då skulle kunna ha måste vara av samma storleksordning som kvoten av det lilla och det stora talet ovan, dvs 0,000 000 000 000 000 000 001 av koppars elektriska mostånd. Man kan alltså inte med några experiment skilja supraledarens mostånd från noll. Magnetfältet är noll
Olika typer av material uppträder kan uppträda på tre olika sätt i magnetfält. När ett magnetfält passerar genom ett föremål av magnetiskt material, t.ex. järn ser fältlinjerna ut att sugas upp av föremålet.

Magnetfält över ett magnetiskt material

Om magnetfältet passerar genom ett omagnetiskt material, t. ex. koppar kommer fältet att passera genom föremålet så gott som opåverkat.

Magnetfält över ett omagnetiskt material

Det tredje fallet representeras av supraledare. En supraledare stöter helt bort magnetfältet, så att fältet inuti ledaren är noll. Denna effekt brukar vanligen kallas för Meissnereffekten.

Magnetfält över en supraledare

Meissnereffekten kan illustreras med ett enkelt experiment, där man långsamt sänker en permanentmagnet mot en platta av supraledarmaterial.

Fältlinjerna komprimeras

Magnetfältet kan inte tränga in i supraledar-plattan. Fältlinjerna komprimeras under magneten och utövar en lyftkraft på magneten. När magneten är tillräckligt nära plattan kommer lyftkraften vara lika stor som tyngdkraften, och magneten svävar över plattan. Kritiska magnetfält, temperaturer och strömmar

De flesta rena metaller och många legeringar blir supraledande vid tillräckligt låga temperaturer. Även en del halvledare och isolatorer blir supraledande om man lägger på ett yttre tryck.

En del metaller blir förmodligen aldrig supraledande. Det vet man inte säkert, eftersom vi inte kan nå de allra lägsta temperaturerna. De flesta forskare tror att magnetiska metaller som järn, kobolt och nickel aldrig blir supraledande. Koppar, silver och guld blir förmodligen supraledande vid mycket låga temperaturer.

För de supraledande materialen måste flera villkor vara uppfyllda för att supraledning ska uppstå. Det första villkoret är tillräckligt låg temperatur. Det andra är att magnetfältet inte får överstiga ett visst högsta värde. Strömmen genom supraledaren får heller inte vara för stor.

Dessa tre kriterier kallas för de kritiska värdena. Om något av värdena överskrids kommer föremålet inte längre att kunna leda supraström.

En tidig besvikelse inom supraledar-forskningen var upptäckten av dessa kritiska magnetfält. Man hade förstås tänkt sig att man kunde bygga supraledande magneter, som kunde leverera starka magnetfält utan att det skulle gå åt energi till värme i spolarna.

Det kritiska magnetfältet för alla rena metaller var nämligen mycket lågt. För t. ex. aluminium är det högsta värdet 0,01 Tesla. Redan en liten permanentmagnet producerar ett så starkt fält att supraledningen förstörs.

Legeringar däremot kan tåla mycket högre magnetfält. Det beror på att de beter sig något annorlunda i magnetfält än de rena metallerna. Istället för att stöta ut magnetfältet helt, låter den supraledande legeringen en del av fältet passera genom sig i form av små kanaler som kallas vortexar. I området mellan vortexarna är magnetfältet utträngt ur föremålet.

En del av magnetfältet tillåts tränga igenom via vortexar

De supraledare som på detta sätt släpper igenom magnetfält kallas för supraledare av typ II. De flesta legeringar uppträder på det här viset. Supraledare som tränger ut hela magnetfältet upp till den kritiska temperaturen kallas för typ I. Dagens typ II-supraledare ser teoretiskt ut att tåla flera hundra tesla. Detta har givetvis inte kunnat testas, det starkaste stabila magnetfält som människan lyckats producera ligger omkring 30 T.