ชนิดของตัวนำยวดยิ่งจำแนกตามสมบัติทางแม่เหล็ก
ตัวนำยวดยิ่ง (superconductors) คือวัสดุซึ่งความต้านทานไฟฟ้ามีค่าเป็นศูนย์อย่างทันทีทันใด เมื่อลดอุณหภูมิลงจนถึงอุณหภูมิวิกฤต ซึ่งปรากฏการณ์นี้ถูกพบครั้งแรกในปรอทบริสุทธิ์โดย คาร์เมอร์ลิง ออนเนส[1] นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ และจากการค้นพบทำให้ออนเนสได้รับรางวัลโนเบลในปี ค.ศ. 1913 โดยตัวนำยวดยิ่งแบ่งเป็นชนิดต่างๆได้ตามการจัดจำแนก ถ้าใช้สมบัติทางแม่เหล็กเป็นตัวกำหนดชนิดของตัวนำยวดยิ่งจะสามารถแบ่งตัวนำยวดยิ่งออกได้เป็น 2 ชนิด[2] คือ ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 (Type I superconductors) และตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2 (Type II superconductors)
ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 (Type I superconductors)
เมื่อให้ค่าสนามแม่เหล็กภายนอกน้อยกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤต (critical magnetic field :Hc) ตัวนำจะยังคงสภาพนำยวดยิ่งอยู่ แต่ถ้าสนามแม่เหล็กที่ให้มีค่ามากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤต ตัวนำจะสูญเสียสภาพนำยวดยิ่งและกลายเป็นตัวนำปกติ ถึงแม้ว่าอุณหภูมิจะยังคงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตก็ตาม โดยตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 นี้จะให้ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ที่สมบูรณ์ คือ เส้นแรงแม่เหล็กไม่สามารถพุ่งผ่านเนื้อสารตัวนำได้ และโดยทั่วไปแล้วค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตของตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 นี้จะมีขนาดต่ำมากจึงไม่เพียงพอที่จะนำไปประยุกต์ใช้งาน[3] ซึ่ง สนามแม่เหล็กวิกฤตจะมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิตามสมการ
ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2 (Type II superconductors)
ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2 ให้ค่าสนามแม่เหล็กวิกฤต 2 ค่า คือสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 1 (Lower critical magnetic field field :Hc1) และสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2 (Upper critical magnetic field field :Hc2) เมื่อให้สนามแม่เหล็กจากภายนอกเข้าไปแล้วมีค่าน้อยกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 1 ตัวนำยวดยิ่งาจะมีสภาพเป็นตัวนำยวดยิ่งอย่างสมบูรณ์ เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกที่ให้เข้าไปมีค่ามากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 1 แต่น้อยกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2 ตัวนำยวดยิ่งจะแสดงปรากฏการณ์ไมสเนอร์ไม่สมบูรณ์ ทำให้มีเส้นแรงแม่เหล็กบางส่วนสามารถพุ่งผ่านบริเวณนี้ได้ และเมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกมีค่ามากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2 ตัวนำยวดยิ่งจะเปลี่ยนสภาพเป็นตัวนำปกติ[4] ดังภาพแสดงพฤติกรรมของสนามแม่เหล็กวิกฤตต่างๆซึ่งเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ โดยสามารถนำตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้มาประยุกต์ใช้งานในเชิงแม่เหล็กได้ดี
สนามแม่เหล็กวิกฤตเชิงผิว (Surface critical magnetic field field :Hc3)
เมื่อให้สนามแม่เหล็กภายนอกมากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2 แล้วยังคงมีสถานะนำยวดยิ่งบางๆบริเวณผิว เรียกว่า สนามแม่เหล็กวิกฤตเชิงผิว (Surface critical magnetic field field) หรือสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 3 (Third critical field field :Hc3) ซึ่งในปี ค.ศ. 1963 เจมส์และเจนเนส[5]ได้อธิบายถึงค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตบริเวณผิว โดยอธิบายว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตนี้มีค่าเป็นสัดส่วนกับสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2
ตัวนำยวดยิ่งแบบแม่เหล็ก (Magnetic superconductors)
ตัวนำยวดยิ่งแบบแม่เหล็ก (Magnetic superconductors) คือตัวนำยวดยิ่งที่มีสมบัติเป็นตัวนำยวดยิ่งและมีสมบัติทางแม่เหล็ก ตัวนำยวดยิ่งแบบนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อตัวนำยวดยิ่งถูกเจือด้วยสารเจือแบบแม่เหล็ก จะมีผลทำให้เกิดสภาพความเป็นแม่เหล็กในโครงสร้างขึ้น แต่เนื่องจากแม่เหล็กมีผลทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ ดังนั้นจะทำให้อุณหภูมิวิกฤตมีค่าน้อยลง และจากการทดลองสารตัวนำยวดยิ่งแบบแม่เหล็กบางชนิดพบว่า ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต สารจะอยู่ในสถานะที่มีสภาพนำยวดยิ่งร่วมกับสภาพแม่เหล็กเฟอร์โร เช่น ErRh4B4, HoMo6S8 เป็นต้น และสถานะนำยวดยิ่งร่วมกับสภาพแม่เหล็กแอนไทม์เฟอร์โร เช่น ErMo6S8, SmRh4B4 เป็นต้น พิจารณาตารางแสดงค่าอุณหภูมิวิกฤตและสนามแม่เหล็กวิกฤตของตัวนำยวดยิ่ง[6]
| ตัวนำยวดยิ่งแบบผลึก | อุณหภูมิวิกฤต Tc(K) | สนามแม่เหล็กวิกฤต Hc(K) |
| La2-xSrxCuO4 | 92 | ≥150 |
| YBa2Cu3O7 | 92 | ≥150 |
| Bi2Sr2Ca2Cu3O10 | 110 | ≥250 |
| TlBa2Ca2Cu3O9 | 110 | ≥100 |
| Tl2Ba2Ca2Cu3O10 | 125 | ≥150 |
| HgBa2Ca2Cu3O8 | 133 | ≥150 |
สารแม่เหล็กพารา สารแม่เหล็กไดอา และสารแม่เหล็กเฟอร์โร
วัสดุที่มีสมบัติแม่เหล็กพารา (paramagnetic) คือวัสดุซึ่งมีโมเมนต์แม่เหล็กรวมเป็นศูนย์ วัสดุที่มีสมบัติแม่เหล็กไดอา (diamagnetic) โดยแม่เหล็กไดอา เป็นแม่เหล็กที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก (magnetic property) โดยมีการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอก (external magnetic field) คล้ายการสร้างสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางตรงกันข้ามกับสนามแม่เหล็กภายนอก ส่งผลให้วัสดุนั้นถูกผลักออกจากสนามแม่เหล็ก คุณสมบัตินี้เป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในที่เกิดขึ้นตามกฎแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic law) ซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็กในทิศตรงข้าม
หลักการพื้นฐาน
แม่เหล็กไดอาเกิดขึ้นในวัสดุที่ไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กถาวร (permanent magnetic moment) เช่น แก้ว น้ำ และกราไฟต์ (graphite) เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอกมากระทำ อิเล็กตรอนในอะตอมจะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่เล็กน้อยเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็กตรงกันข้าม ผลที่ได้คือการผลักออกจากสนามแม่เหล็กภายนอก เช่น ทองแดง (Copper) และซิลิกอน (Silicon) มีคุณสมบัติในการแสดงพฤติกรรมแม่เหล็กที่อ่อนมาก เมื่อมีสนามแม่เหล็กแรงสูง วัสดุเหล่านี้จะมีปฏิกิริยาในการผลักออกจากสนามแม่เหล็กอย่างชัดเจน เนื่องจากการไม่ถูกดึงดูดเข้าหาสนามแม่เหล็ก ทำให้แม่เหล็กไดอาแตกต่างจากแม่เหล็กประเภทอื่น เช่น แม่เหล็กเฟอร์โร (ferromagnetic) ที่มีการดึงดูดเข้าสู่สนามแม่เหล็ก
การใช้งาน
แม่เหล็กไดอามีประโยชน์ในการวิจัยและการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยีบางประเภท เช่น การแยกวัสดุ (material separation) ในอุตสาหกรรมรีไซเคิล การแยกโลหะผสมบางชนิด เช่น ทองแดง (Copper) และอะลูมิเนียม (Aluminum) สามารถทำได้ด้วยสร้างสนามแม่เหล็กแรงสูง ซึ่งจะทำให้วัสดุเหล่านี้ถูกผลักออกไปจากสนามแม่เหล็ก ขณะวัสดุที่เป็นสารแม่เหล็กอื่นๆ จะถูกดูดเข้าไปในสนามแม่เหล็ก
นอกจากนี้การศึกษาเกี่ยวกับแม่เหล็กไดอายังมีความสำคัญในการตรวจสอบพฤติกรรมทางแม่เหล็กในระดับฟิสิกส์ขั้นสูง เช่น การทดลองที่ใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงเพื่อศึกษาและแยกวัสดุที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน[7]
และวัสดุที่มีสมบัติแม่เหล็กเฟอร์โร (ferromagnetic) โมเมนต์แม่เหล็กจะเรียงตัวเป็นระเบียบอยู่ในแต่ละโดเมน (Domain Wall) เมื่อให้สนามแม่เหล็กจากภายนอก โมเมนต์แม่เหล็กของทุกโดเมนจะมีทิศเดียวกับสนามแม่เหล็ก[8] ซึ่งค่าสภาพยอมรับได้ทางแม่เหล็ก (magnetic susceptibility) ของสภาพแม่เหล็กต่างๆ มีค่า χ>0 , χ<0 และ χ>>0 ตามลำดับ
ค่าสภาพยอมรับได้ทางแม่เหล็ก (magnetic susceptibility)
เมื่อวัสดุวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก (H) ค่าความเป็นแม่เหล็ก (magnetization, M) จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นตามความสัมพันธ์
อ้างอิง
- ↑ Buckel, W. (1991). Superconductivity: fundamental and application. New York :VCH Publisherlnc.
- ↑ Ketterson, J.B. and Song S.N. (1999). Superconductivity. New York :Cambridge University Press.
- ↑ พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ. (2555). ตัวนำยวดยิ่งเบื้องต้น. กรุงเทพมหานคร :บจก. วัน โอ ไฟว์ ดิจิตอล พริ้นติ้ง. ถ่ายเอกสาร.
- ↑ พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ. (2555). ตัวนำยวดยิ่งเบื้องต้น. กรุงเทพมหานคร :บจก. วัน โอ ไฟว์ ดิจิตอล พริ้นติ้ง. ถ่ายเอกสาร.
- ↑ Saint-James, D. and de Gennes, P.G. (1963). Onset of superconductivity in decreasing fields. Phys. Lett 7 : 306-308.
- ↑ Bolonkin, A. (2008). AB levitator and electricity storage. Aircraft engineering and Aerospace Technology 80:427-438.
- ↑ มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา. "วัสดุแม่เหล็กแบบไดอา (Diamagnetic Materials)." bsru.ne (thttps://bsru.net/%E0%B8%A7%E0%B8%B1%E0%B8%AA%E0%B8%94%E0%B8%B8%E0%B9%81%E0%B8%A1%E0%B9%88%E0%B9%80%E0%B8%AB%E0%B8%A5%E0%B9%87%E0%B8%81%E0%B9%81%E0%B8%9A%E0%B8%9A%E0%B9%84%E0%B8%94%E0%B8%AD%E0%B8%B2-diamagnetic-materi/),Jackson, J. D. Classical Electrodynamics. 3rd Edition, Wiley, 1998.,Purcell, E. M., & Morin, D. J. Electricity and Magnetism. 3rd Edition, Cambridge University Press, 2013,Landau, L. D., & Lifshitz, E. M. Electrodynamics of Continuous Media. Pergamon Press, 1984,Bozorth, R. M. Ferromagnetism. IEEE Press, 1993.
- ↑ Kittel, C. (1997). Introduction to solid state physics. United states of America :John Wiley & son.
8.มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา. "วัสดุแม่เหล็กแบบไดอา (Diamagnetic Materials)." bsru.ne (thttps://bsru.net/%E0%B8%A7%E0%B8%B1%E0%B8%AA%E0%B8%94%E0%B8%B8%E0%B9%81%E0%B8%A1%E0%B9%88%E0%B9%80%E0%B8%AB%E0%B8%A5%E0%B9%87%E0%B8%81%E0%B9%81%E0%B8%9A%E0%B8%9A%E0%B9%84%E0%B8%94%E0%B8%AD%E0%B8%B2-diamagnetic-materi/),Jackson, J. D. Classical Electrodynamics. 3rd Edition, Wiley, 1998.,Purcell, E. M., & Morin, D. J. Electricity and Magnetism. 3rd Edition, Cambridge University Press, 2013,Landau, L. D., & Lifshitz, E. M. Electrodynamics of Continuous Media. Pergamon Press, 1984,Bozorth, R. M. Ferromagnetism. IEEE Press, 1993.