ชนิดของตัวนำยวดยิ่งจำแนกตามสมบัติทางแม่เหล็ก

ตัวนำยวดยิ่ง (superconductors) คือวัสดุซึ่งความต้านทานไฟฟ้ามีค่าเป็นศูนย์อย่างทันทีทันใด เมื่อลดอุณหภูมิลงจนถึงอุณหภูมิวิกฤต ซึ่งปรากฏการณ์นี้ถูกพบครั้งแรกในปรอทบริสุทธิ์โดย คาร์เมอร์ลิง ออนเนส นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ และจากการค้นพบทำให้ออนเนสได้รับรางวัลโนเบลในปี ค.ศ. 1913 โดยตัวนำยวดยิ่งแบ่งเป็นชนิดต่างๆได้ตามการจัดจำแนก ถ้าใช้สมบัติทางแม่เหล็กเป็นตัวกำหนดชนิดของตัวนำยวดยิ่งจะสามารถแบ่งตัวนำยวดยิ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือ ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 (Type I superconductors) และตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2 (Type II superconductors)

คาร์เมอร์ลิง ออนเนส (Kamerligh Onnes :1911) นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์

ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 (Type I superconductors)

 

พฤติกรรมของสนามแม่เหล็กวิกฤตต่างๆซึ่งเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ

เมื่อให้ค่าสนามแม่เหล็กภายนอกน้อยกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤต (critical magnetic field :H_c) ตัวนำจะยังคงสภาพนำยวดยิ่งอยู่ แต่ถ้าสนามแม่เหล็กที่ให้มีค่ามากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤต ตัวนำจะสูญเสียสภาพนำยวดยิ่งและกลายเป็นตัวนำปกติ ถึงแม้ว่าอุณหภูมิจะยังคงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตก็ตาม โดยตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 นี้จะให้ปรากฏการณ์ไมสเนอร์ที่สมบูรณ์ คือ เส้นแรงแม่เหล็กไม่สามารถพุ่งผ่านเนื้อสารตัวนำได้ และโดยทั่วไปแล้วค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตของตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 1 นี้จะมีขนาดต่ำมากจึงไม่เพียงพอที่จะนำไปประยุกต์ใช้งาน ซึ่ง สนามแม่เหล็กวิกฤตจะมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิตามสมการ

${\displaystyle H_{\text{c}}(T)=H_{\text{c}}(0)(1-(T/T_{\text{c}})^{2})}$

ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2 (Type II superconductors)

ตัวนำยวดยิ่งชนิดที่ 2 ให้ค่าสนามแม่เหล็กวิกฤต 2 ค่า คือสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 1 (Lower critical magnetic field field :H_c1) และสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2 (Upper critical magnetic field field :H_c2) เมื่อให้สนามแม่เหล็กจากภายนอกเข้าไปแล้วมีค่าน้อยกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 1 ตัวนำยวดยิ่งาจะมีสภาพเป็นตัวนำยวดยิ่งอย่างสมบูรณ์ เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกที่ให้เข้าไปมีค่ามากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 1 แต่น้อยกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2 ตัวนำยวดยิ่งจะแสดงปรากฏการณ์ไมสเนอร์ไม่สมบูรณ์ ทำให้มีเส้นแรงแม่เหล็กบางส่วนสามารถพุ่งผ่านบริเวณนี้ได้ และเมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกมีค่ามากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2 ตัวนำยวดยิ่งจะเปลี่ยนสภาพเป็นตัวนำปกติ ดังภาพแสดงพฤติกรรมของสนามแม่เหล็กวิกฤตต่างๆซึ่งเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ โดยสามารถนำตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้มาประยุกต์ใช้งานในเชิงแม่เหล็กได้ดี

สนามแม่เหล็กวิกฤตเชิงผิว (Surface critical magnetic field field :H_c3)

เมื่อให้สนามแม่เหล็กภายนอกมากกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2 แล้วยังคงมีสถานะนำยวดยิ่งบางๆบริเวณผิว เรียกว่า สนามแม่เหล็กวิกฤตเชิงผิว (Surface critical magnetic field field) หรือสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 3 (Third critical field field :H_c3) ซึ่งในปี ค.ศ. 1963 เจมส์และเจนเนสได้อธิบายถึงค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตบริเวณผิว โดยอธิบายว่าสนามแม่เหล็กวิกฤตนี้มีค่าเป็นสัดส่วนกับสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ 2

${\displaystyle H_{\text{c3}}=1.69H_{\text{c2}}}$

ตัวนำยวดยิ่งแบบแม่เหล็ก (Magnetic superconductors)

ตัวนำยวดยิ่งแบบแม่เหล็ก (Magnetic superconductors) คือตัวนำยวดยิ่งที่มีสมบัติเป็นตัวนำยวดยิ่งและมีสมบัติทางแม่เหล็ก ตัวนำยวดยิ่งแบบนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อตัวนำยวดยิ่งถูกเจือด้วยสารเจือแบบแม่เหล็ก จะมีผลทำให้เกิดสภาพความเป็นแม่เหล็กในโครงสร้างขึ้น แต่เนื่องจากแม่เหล็กมีผลทำลายสภาพนำยวดยิ่งได้ ดังนั้นจะทำให้อุณหภูมิวิกฤตมีค่าน้อยลง และจากการทดลองสารตัวนำยวดยิ่งแบบแม่เหล็กบางชนิดพบว่า ที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต สารจะอยู่ในสถานะที่มีสภาพนำยวดยิ่งร่วมกับสภาพแม่เหล็กเฟอร์โร เช่น ErRh₄B₄, HoMo₆S₈ เป็นต้น และสถานะนำยวดยิ่งร่วมกับสภาพแม่เหล็กแอนไทม์เฟอร์โร เช่น ErMo₆S₈, SmRh₄B₄ เป็นต้น พิจารณาตารางแสดงค่าอุณหภูมิวิกฤตและสนามแม่เหล็กวิกฤตของตัวนำยวดยิ่ง

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) เมื่อให้สนามแม่เหล็กจากภายนอก (H) โมเมนต์แม่เหล็กจะเรียงตัวเป็นระเบียบในทิศตรงกันข้ามกับสนามแม่เหล็ก และวัสดุที่มีสมบัติแม่เหล็กเฟอร์โร (ferromagnetic) โมเมนต์แม่เหล็กจะเรียงตัวเป็นระเบียบอยู่ในแต่ละโดเมน (Domain Wall) เมื่อให้สนามแม่เหล็กจากภายนอก โมเมนต์แม่เหล็กของทุกโดเมนจะมีทิศเดียวกับสนามแม่เหล็ก ซึ่งค่าสภาพยอมรับได้ทางแม่เหล็ก (magnetic susceptibility) ของสภาพแม่เหล็กต่างๆ มีค่า χ>0 , χ<0 และ χ>>0 ตามลำดับ

ค่าสภาพยอมรับได้ทางแม่เหล็ก (magnetic susceptibility)

เมื่อวัสดุวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก (H) ค่าความเป็นแม่เหล็ก (magnetization, M) จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นตามความสัมพันธ์

${\displaystyle {\text{M}}={\text{χ}}{\text{H}}}$

อ้างอิง

1. Buckel, W. (1991). Superconductivity: fundamental and application. New York :VCH Publisherlnc.
2. Ketterson, J.B. and Song S.N. (1999). Superconductivity. New York :Cambridge University Press.
3. พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ. (2555). ตัวนำยวดยิ่งเบื้องต้น. กรุงเทพมหานคร :บจก. วัน โอ ไฟว์ ดิจิตอล พริ้นติ้ง. ถ่ายเอกสาร.
4. พงษ์แก้ว อุดมสมุทรหิรัญ. (2555). ตัวนำยวดยิ่งเบื้องต้น. กรุงเทพมหานคร :บจก. วัน โอ ไฟว์ ดิจิตอล พริ้นติ้ง. ถ่ายเอกสาร.
5. Saint-James, D. and de Gennes, P.G. (1963). Onset of superconductivity in decreasing fields. Phys. Lett 7 : 306-308.
6. Bolonkin, A. (2008). AB levitator and electricity storage. Aircraft engineering and Aerospace Technology 80:427-438.
7. Kittel, C. (1997). Introduction to solid state physics. United states of America :John Wiley & son.