Jedną z charakterystycznych właściwości metali jest ich zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego, której miarą jest opór elektryczny. Ze względu na ten parametr substancje można klasyfikować jako (Atkins, 2004):

• Izolatory – substancje o dużym oporze elektrycznym, które nie przewodzą elektryczności.
• Przewodniki metaliczne – substancje przewodzące prąd, a ich opór zwiększa się wraz z temperaturą.
• Nadprzewodniki – substancje, które wykazują zerowy opór w niskich temperaturach.

W tym doświadczeniu wykorzystano właściwości nadprzewodników. Substancje te można podzielić na dwa rodzaje:

• Nadprzewodniki niskotemperaturowe dla których temperatura krytyczna (T_c), czyli temperatura poniżej której obserwowane jest nadprzewodnictwo, jest bliska 0 K. Substancje te stosowane były do około 1987, jednak ich wykorzystanie było niezwykle kosztowne.
• Nadprzewodniki wysokotemperaturowe, których opór elektryczny zanika w temperaturze około 100 K.

W zaprezentowanym doświadczeniu wykorzystano nadprzewodniki wysokotemperaturowe, a efekt nadprzewodnictwa uzyskano dzięki chłodzeniu ciekłym azotem. Ciekły azot ma temperaturą poniżej 77 K, przez co pozwala schłodzić większość nadprzewodników wysokotemperaturowych poniżej temperatury krytycznej. Z chemicznego punktu widzenia nadprzewodniki wysokotemperaturowe to materiały ceramiczne stanowiące mieszaniny tlenków metali. Materiał przedstawiony na filmie to stop tlenków baru, miedzi i itru o wzorze sumarycznym YBa₂Cu₃O₇. Poniżej przedstawiono wykres, który prezentuje zależność oporu tego materiału od temperatury:

Wykres 1. Zależność oporu od temperatury nadprzewodnika YBa₂Cu₃O₇ (http://www.superconductors.org)

Po ochłodzeniu nadprzewodnika do temperatury krytycznej wzbudzany jest prąd elektryczny nawet bez przyłożonej różnicy potencjałów. W momencie pojawienia się prądu pole magnetyczne zawarte w powierzchniowej warstwie nadprzewodnika zostaje wypchnięte na zewnątrz. Siła ta jest w stanie utrzymać magnes stacjonarny, a my obserwujemy zjawisko lewitacji. Zjawisko to nazywane jest Efektem Meissnera i jest wykorzystywane do odróżnienia przewodników o niskim oporze elektrycznym od nadprzewodników.

Materiały nadprzewodzące i zjawisko lewitacji może być wykorzystane m.in. do budowy kolei magnetycznej, łożysk, silników i innych układów w których brak tarcia między magnesem, a nadprzewodnikiem poprawia w znacznym stopniu wartość użytkową układu.

Literatura

Atkins, P. i Jones, L. (2004). Chemia ogólna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.