Elektromos vezetési tulajdonságok Fémek, szupravezetők

Hasonló dokumentumok
Szupravezetés. Mágneses tér mérő szenzorok (DC, AC) BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Dr. Mészáros István. Előadásvázlat 2013.

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

Elektromos vezetési tulajdonságok

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok. Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék:

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Trendek az anyagtudományban Vezetési jelenségek Dr. Mészáros István 2013.

Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2015/16. Mágneses anyagok. Dr. Szabó Péter János

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Fizika M1 - A szilárdtestfizika alapjai. Gépészmérnök és Energetikai mérnök mesterszak

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Szigetelők Félvezetők Vezetők

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK. Anyagismeret 2016/17. Szilárdságnövelés. Dr. Mészáros István Az előadás során megismerjük

A SZUPRAVEZETÉS. Fizika. A mágneses tér hatása a szupravezető állapotra

Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek

Diffúzió 2003 március 28

2010. január 31-én zárult OTKA pályázat zárójelentése: K62441 Dr. Mihály György

Mágneses tér anyag kölcsönhatás leírása

dinamikai tulajdonságai

Mágneses tér anyag kölcsönhatás leírása

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Szupravezetés Vajda István: A szupravezetők alkalmazásai "Fizikus Napok", Debrecen, március 6.

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

American Society of Materials. Szilárdtestek. Fullerének (C atomok, sokszögek) zárt gömb, tojás cső (egy és többrétegű)

Az elektronpályák feltöltődési sorrendje

Elektrodinamika. Maxwell egyenletek: Kontinuitási egyenlet: div n v =0. div E =4 div B =0. rot E = rot B=

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 9. Hőtani, elektromos és kémiai tulajdonságok

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Transzportfolyamatok. Alapfogalmak. Lokális mérlegegyenlet. Transzportfolyamatok 15/11/2015

Villamos tulajdonságok


Periódusosság. Általános Kémia, Periódikus tulajdonságok. Slide 1 of 35

ELSŐ ZH-kédések kidolgozása: BY HENTES

Vezetékek. Fizikai alapok

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Az anyagok mágneses tulajdonságai

Periódusosság. Általános Kémia, Periódikus tulajdonságok. Slide 1 of 35

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2.

Kémiai fizikai alapok I. Vízminőség, vízvédelem tavasz

Szilárdságnövelés. Az előkészítő témakörei

Szilárdság (folyáshatár) növelési eljárások

XLVI. Irinyi János Középiskolai Kémiaverseny február 6. * Iskolai forduló I.a, I.b és III. kategória

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

Elektron mozgása kristályrácsban Drude - féle elektrongáz


Az anyagok vezetési tulajdonságai (segédanyag a "Vezetési jelenségek" című gyakorlathoz)

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Periódusosság. 9-1 Az elemek csoportosítása: a periódusostáblázat

Fázisátalakulás Fázisátalakulások diffúziós (egyedi atomi mozgás) martenzites (kollektív atomi mozgás, diffúzió nélkül)

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK I. Elektrotechnika 4. előadás

BŐVÍTETT TEMATIKA a Kondenzált anyagok fizikája c. tárgyhoz

1. SI mértékegységrendszer

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Molekulák, folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

A SZILÁRDTEST FOGALMA. Szilárdtest: makroszkópikus, szilárd, rendezett anyagdarab. molekula klaszter szilárdtest > σ λ : rel.

Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek

Fémtechnológiák Fémek képlékeny alakítása 1. Mechanikai alapfogalmak, anyagszerkezeti változások

Az elemek rendszerezése, a periódusos rendszer

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Szilárdságnövelés. Az előadás során megismerjük. Szilárdságnövelési eljárások

Fémek és ötvözetek termikus viselkedése

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Nanoelektronikai eszközök III.

Anyagtudomány MÁGNESES ANYAGOK GERZSON MIKLÓS

Átmenetifém-komplexek ESR-spektrumának jellemzıi

Szupravezetők a mindennapokban

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Egyenáram. Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

A szilárd testek alakja és térfogata észrevehetően csak nagy erő hatására változik meg. A testekben a részecskék egymáshoz közel vannak, kristályos

József Cserti. ELTE, TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék. A évi fizikai Nobel-díj. a topológikus fázisokért...

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Elektromos ellenállás, az áram hatásai, teljesítmény

Tematika. Az atomok elrendeződése Kristályok, rácshibák

Kerámia, üveg és fém-kerámia implantátumok

Elektrotechnika. Ballagi Áron

N I. 02 B. Mágneses anyagvizsgálat G ép A mérés dátuma: A mérés eszközei: A mérés menetének leírása:

Orvosi Fizika 13. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

DR. KOVÁCS ERNŐ ELEKTRONIKA II. (DISZKRÉT FÉLVEZETŐK, ERŐSÍTŐK) ELŐADÁS JEGYZET

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika


Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Fémek, ötvözetek

Vezető anyagok. Vezető anyagok. Villamos anyagok, villamos tulajdonságok. Fontosabb fémek vezetőképessége 15/11/2015

Az elektromágneses tér energiája

Villamos anyagok, villamos tulajdonságok

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK április 3.

KRISTÁLYOK GEOMETRIAI LEÍRÁSA

RÖNTGEN-FLUORESZCENCIA ANALÍZIS

1. Prefix jelentések. 2. Mi alapján definiáljuk az 1 másodpercet? 3. Mi alapján definiáljuk az 1 métert? 4. Mi a tömegegység definíciója?

Az anyagok lehetséges állapotai, a fizikai körülményektől (nyomás, hőmérséklet) függően. Az anyagokat általában a normál körülmények között jellemző

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Bevezetés az anyagtudományba III. előadás

TANULÁSTÁMOGATÓ KÉRDÉSEK AZ 2.KOLLOKVIUMHOZ

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

ü ü ű ű ü ü ü Á ű ü ü ü ű Ü

Fizika minta feladatsor

Átírás:

Elektromos tulajdonságok Fémek, szupravezetők Roncsolásmentes anyagvizsgálat tárgy 2017. Dr. Mészáros István BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék Elektromos vezetési tulajdonságok Fémek, szupravezetők Vezetési jelenségek (transzportfolyamatok) fenomenologikus leírása Elektromos vezetés: külső E Þ töltéstranszport j = s grad U = s E 1

j j du = s dx = s gradu 1 dw - s q dx F -s S 1 - s gradw q dt dx F -s S gradt Diff. Ohm törvény Kontakt potenciál Peltier-hatás Seebeck-hatás Potenciál gradiens Fermi-szint gradiens Hőmérséklet grad (anyagminőség változás) fém-fém (hőelem) pn-átmenet Schottky-átmenet Elektromos- és hővezetés kapcsolata k L = Franz - Wiedmann törvény s T (főként egyvegyértékű fémekre) k = LsT L = 2,44 10-8 WW/K 2 Lorentz-szám Transzportban részvevő részecskék: Elektromos vezetés: Hővezetés: Szabad elektronok T = állandó k = konst s Szabad elektronok Fononok (rácsrezgés kvantum) Kivételek! pl. gyémánt 2

Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék: Vezetők fémek szabad elektron ötvözetek szabad elektron elektrolitok + és - ionok plazma áll. gázok + és - ionok Félvezetők elemi szabad elektronok, lyukak vegyület szabad elektronok, lyukak Szigetelők kovalens kristályok szabad elektronok, lyukak ionos kristályok szabad elektronok, lyukak folyadékok gázok + és - ionok + és - ionok Vezető anyagok klasszikus csoportosítása s (fajlagos vezetőképesség) Siemens/m, 1/Ohm m < 10-8 S/m szigetelő 10-8 - 10 6 S/m félvezető > 10 6 S/m fémes vezető l R = r A 1 s = r r é s ê ë [ Wm] S m ù ú û 3

Fajlagos ellenállás irányfüggése izotróp (köbös szerezetű egykristályok, polikristályok) anizotróp (alacsony szimmetriájú kristályok: hex., tetragonális ) pl: Cd, Mg, Zn, C (grafit): r r párhuzamos meroleges» 1000 Matematikai leírása: tenzor mennyiség Vezetési mechanizmusok leírása Klasszikus (Sommerfeld-féle, szabad-elektron modell) Feltételezés: elektromok között nincs kölcsönhatás (ideális gáz) Elektron mozgása: Rendezetlen termikus mozgás + sodródás (drift) Kvantummechanikai leírás Elektronhoz rendelt síkhullám mozgása a rácsperiodikus potenciáltérben. Vezető test: potenciálgödör. 4

v (sebesség) j = q n v d t (idő) q E vd = t m 2 n q t j = E = s E m v drift t: átl. élettartam l: átl. szabad úthossz v d = µ E µ n : elektron mozg. µ p : lyuk mozg. anizotróp, [cm 2 /Vs] Mérése: Hall - effektus C- V mérés Eredmények: Differenciális Ohm-törvény 1-2 vegyértékű fémekre jó fajlagos ellenállás értékek Problémák: azonos fém allotróp módosulatai többvegyértékű fémek (számított fajlagos ellenállás hibás) Félvezetők, szigetelők (hőmérsékletfüggés nem magyarázható) s (T, megvilágítás, külső E, sugárzás ) s = const e - E kt 5

Elektron kettős természete: korpuszkuláris, hullám de Broglie: h l = mv -34 6,6 10 Js l = -31 9,1 10 kg 10 5 m s 25 C, szabad e - : E=26meV ß 10 5 m/s termikus sebesség = 7,3nm Û rácsállandó» 0,3-0,4 nm ß csak kvantummechanikai leírás lehetséges Probléma: elektronhoz rendelt síkhullám terjedése rácsperiodokus potenciáltérben 2p 2p 1 k = k = = mv = mv l h! 1 E = mv 2 2! E = k 2m 2 2 2 1 æ k! ö = mç 2 è m ø p ± 2a p ± 3 2a Szabad elektronok esetén Kristály: Brillouin zónák Þ zónahatárok E(k) szintfelületek (4dim Þ célszerű síkmetszetek) 6

Fémek fajlagos ellenállását befolyásoló tényezők periodikus pot. tér torzulása Þ r növekedése rácsrendezetlenség termikus rácsrezgések ponthibák diszlokációk (alakítás) felületszerű hibák (szemcseméret) térfogati hibák (kiválások, új fázis) rácstorzulás (szilárd oldatos ötvözés)... Matthiesen-szabály (szeparálható fv.) ( T, c, e ) = r ( T ) + r ( c) + r ( e ) + r 1 2 3 r hőmérsékletfüggése (fémes vezető) r r r 2 n ( T ) = r ( 1+ adt + bdt + + µ DT ) ( T ) = r ( 1+ adt ) 1 Dr ar = r DT 0 0 0 Maradó ellenállás m * m * æ 1 r = = nq t nq ç 2 2 èt R 1 ö + = rr + rt t T ø» 100K 2/3OP OP T (K) kr. hibák Þ maradó ellenállás Szupravezető: maradó ellenállás nulla Lineáris viselkedéstől eltér ha van: ferro-paramágneses átmenet allotróp átalakulás fázis átalakulás 7

Ötvözés hatása ötvöző perturbálja a potenciál teret Þ növeli a r-t szilárd oldat esetén második fázis (vegyület) Dr ññd 1 r 2 T olvadék T olvadék olvadék + a olv. + A olv. + B T 1 szilárd oldat (a) A + B T 1 a. A C B B a. A B r, a r T 1 r T 1 r r B b. A r A a r rb C B ( c) Drötv = Ac 1- B b. A r A r = r V + r V ötv A A B B B 8

Nordheim-szabály Dr ötv = A ( 1- c) ( r - r ) c + Ac( 1- c) Ac r = r + A B Mott-szabály Dr = Ac Þ Dr AB = Dr BA Rendezett rácsú szilárd oldat Ni 3 Al superalloy Képlékeny alakítás, hőkezelés hatása Fajlagos-ellenállás növekmény Alakítás mértéke Képlékeny alakítás Þ vakanciák, diszlokációk n Dr = k e e ln Dr = n lne + lnk e Egyensúly felé tart a rendszer r csökken. 9

Szupravezetés Kamerlingh 1911 (Hg) 28 elem és több mint 1000 vegyület Nb 7,5K Hg 4.15 K Nb 3 Sn 18,1K Nb 3 Al 17,5K V 3 Si 17K V 3 Ga 16,8K Elem nem lehet szupravezető ha: egy vegyértékű rendezett mágneses szerkezete van Higany ellenállásának hőmérsékletfüggése Kammerlingh-Onnes mérése, 1911 10

Bardeen-Cooper-Schrieffer BCS-elmélet Szupravezető állapotban: Cooper-párok (2e - töltés) (+1/2) - (-1/2) spínű elektron párok a töltéshordozók ß nincs taszító kölcsönhatás Cooper-pár: elektron-fonon-elektron kölcsönhatás Elektron hullám terjed rácsrezgést (fonon) kelthet pályája megváltozik Másik terjedő elektron a rezgő rácsot érzi a rácsrezgést megszüntetheti (a fonont elnyelheti) pályája megváltozik A rács közvetítésével tehát a két elektron egymás pályáját befolyásolja. Ha ez elég erős, a két elektronból kötött pár alakulhat ki. Ezt nevezzük Cooper-párnak. Nem érvényes rájuk a Pauli elv betöltött szintet is elfoglalhatnak. Josephson-jelenség 11

Elektronok alagutazása M-I-M átmenetben Alagút effektus (fölötte nem de keresztül igen) A hullámfüggvény mindkét oldalról belóg a szigetelőbe. Az elektronok csak akkor juthatnak át a szigetelőn ha a túloldalon van betöltetlen energiaszint. Azaz, ha van feszültség különbség. Cooper-párok alagutazása S-I-S átmenetben Josephson-jelenség A Cooper-pár akkor is átalagutazhat a másik oldalra ha nincs feszültségkülönbség. Nem érvényes a Pauli-elv. 12

Josephsoninterferencia SQUID elve Két párhuzamosan kapcsolt Josephson-átmenet (szupra-szigetelő-szupra) A gyűrű belsejében haladó mágneses erővonalak megváltoztatják a Cooperpárok fázisviszonyait interferencia áram erőssége függ a B-től. SQUID (szupravezető kvantum interferométer) Érzékenység: fempto T (10-15 T) Meissner-effektus Mágneses tér erővonalai kiszorulnak Szupravezető: ideális diamágnes (I. fajú) B = µ 0 M = kh ( H + M ) B = 0 Þ H = -M Þ k = -1 13

Szupravezető I. fajú II. fajú Behatoló B vonalak a II. fajú szupravezetőbe Vortex vonalak I. és II. fajú szupravezetők M mágnesezettségének alakulása a külső tér függvényében Hc1: alsó kritikus térerő Hc2: felső kritikus térerő Hc1 alatt: ideális diamágnes Hc1-Hc2: H tér behatol Meissner-Higgs effektus Szupravezető állaptban T<T c I. fajú: (Pb) a B-vonalak kiszorulnak a mintából (B belül =0) (A szupravezetőben belül indukálódó áramok tere kompenzálja a külső tér indukcióját.) II. fajú: (Nb) a B a minta nagyrészéből kiszorul (B=0) csak a hiba ún. vortex vonalak mentén sűrűsödik. A B-vonalak a minta felületébe (és a vortexek környezetében) ~10 nm mélységben behatolnak a szupravezetőbe. 14

Szupravezető Elem Ötvözet Vegyület (intermetallikus) Kerámia (rideg, törékeny, magas Tc) Többkomponensű Magas hőmérsékletű szupravezető: T c > 77 K (-196 ºC) folyékony nitrogén/levegő Szupravezető elemek a periódusos rendszerben 15

Ismertebb I. és II. fajú szupravezető elemek és T c (K) Ti 0,39 Zr 0,55 V 5,03 Nb 9,5 Ta 4,48 *** Zn 0,86 Cd 0,52 Hg 4,15 Al 1,18 Ga 1,09 In 3,41 Tl 2,37 Sn 3,72 Pb 7,19 Néhány többkomponensű szupravezető (www.superconductors.org) Több ezer ismert. Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33 138 K (Rekord tartó) TET HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 133-135 K TET Tl 0.5 Pb 0.5 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 9 118-120 K TET Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 110 K ORTR Ca 1-x Sr x CuO 2 110 K (legmagasabb Tc 4 komp.) GdBa 2 Cu 3 O 7 94 K TET YBa 2 Cu 3 O 7 93 K TET Nb 3 Ge 23,2 K Perovszkit (β-volfram) Nb 3 Si 19 K Perovszkit (β-volfram) Nb 3 Al 18 K Perovszkit (β-volfram) 16

Perovskit-szerkezet b-volfram pl: Nb 3 Sn A Perovszkit szerkezet Az A 3 B képletű (vegyületfázis) szupravezetők szerkezete többségében ilyen. T C, H C, (J C ) H = H C é æ T ê1 - ç êë è TC ö ø 2 ù ú úû j H = 2 rp 17

Fejlesztési irányok: T c, H c, technológia Alkalmazások: Tekercs (nagy indukciójú terek előállítása) SQUID (kis indukciók mérése B < 0,01 nt) Lebegtetés (vasút) Energiatárolás (szupravezető csapágy, lendkerék) Távvezeték (vesztesség nélküli áramtovábbítás) Technológiai problémák Rideg, törékeny alakos testek (pl. tekercs gyártása) Szupravezető tekercs (Nb 3 Sn) Nb(tkk) + Sn(tetragonális) porkeverék Cu csőben + hőkezelés 1-2-3 típusú szupravezetők (T c =80-90 K) Y-X 2 -Cu 3 -O 7 Y: ritkaföldfém: Ittrium (Y), Gadolinium (Gd), Túlium (Tm) X: Ba, Ca, K Például: Y-Ba 2 -Cu 3 -O 7 YBCO, T c =93 K, tetragonális Valós szerkezet: Cu-Ba 2 -Y-Cu 2 -O 7 azaz: 1-2-1-2 Előállítás: Y 2 O 3 + Ba(OH) 2 x 8 H 2 O + CuO YBa 2 Cu 3 O 7 Porok préselése + hőkezelés 18

Y 2 BaCu zöld fázis nem szupravezető fázis pinning centrum, hiba amely segít az erővonalak befogásában (vortex). Hibák előnyösek szándékosan bevitt pinning centerek. Szupravezető felmágnesezése (csak II. fajú esetén) FC: field cooled (sok erővonalat fog be, erős felmágnesezés) ZFC: zero field cooled (kevés befogott erővonal, gyenge) Szupravezetők alkalmazási példái Lebegtetés 19

2017. 10. 13. SmCo permanens mágnes lebegése YBCO szupravezető fölött. Video: Lebegés MAGLEV vonat Japán > 500 km/h 20

Extrém kis mágneses terek mérése SQUID-detektorral Orvosi alkalmazások 21