Supraconductivitatea metalelor, descoperirea lui Heike Kamerling-Onnes

Primul care a întâlnit fenomenul de supraconductivitate Heike Kamerling Onnes — Fizician și chimist olandez. Anul descoperirii fenomenului a fost 1911. Și deja în 1913, omul de știință va primi Premiul Nobel pentru Fizică pentru cercetările sale.

Efectuând un studiu al rezistenței electrice a mercurului la temperaturi ultra-scăzute, el a dorit să determine până la ce nivel ar putea scădea rezistența unei substanțe la un curent electric dacă ar fi curățată de impurități și să reducă cât mai mult posibil ceea ce poate fi numit. » zgomot termic «, adică să scadă temperatura acestor substanţe. Rezultatele au fost neașteptate și uluitoare. La temperaturi sub 4,15 K, rezistența mercurului a dispărut brusc complet!

Mai jos este un grafic cu ceea ce a observat Onnes.

În acele vremuri, știința știa deja cel puțin atât curentul din metale este fluxul de electroni, care sunt separate de atomii lor și, ca și gazul încărcat, sunt transportate de câmpul electric.Este ca vântul atunci când aerul se deplasează dintr-o zonă de înaltă presiune într-o zonă de joasă presiune. Abia acum, în cazul curentului, în loc de aer, există electroni liberi, iar diferența de potențial dintre capetele firului este analogă cu diferența de presiune pentru exemplul aerului.

În dielectrici, acest lucru este imposibil, deoarece electronii sunt strâns legați de atomii lor și este foarte dificil să-i smulgi din locurile lor. Și deși în metale electronii care formează curentul se mișcă relativ liber, ei se ciocnesc ocazional de obstacole sub formă de atomi care vibrează și apare un fel de frecare numită rezistență electrică.

Dar când la temperatură ultra-scăzută începe să se manifeste supraconductivitate, efectul de frecare dispare din anumite motive, rezistența conductorului scade la zero, ceea ce înseamnă că electronii se mișcă complet liber, nestingheriți. Dar cum este posibil acest lucru?

Pentru a găsi răspunsul la această întrebare, fizicienii au petrecut zeci de ani cercetând. Și chiar și astăzi, firele obișnuite sunt numite fire „normale”, în timp ce conductoarele aflate în stare de rezistență zero se numesc „superconductori”.

Trebuie remarcat faptul că, deși conductorii obișnuiți își scad rezistența odată cu scăderea temperaturii, cuprul, chiar și la o temperatură de câțiva kelvin, nu devine supraconductor, iar mercurul, plumbul și aluminiul, rezistența lor se dovedește a fi de cel puțin o sută de trilioane. ori mai mică decât cea a cuprului în aceleași condiții.

Este demn de remarcat faptul că Onnes nu a făcut afirmații nefondate că rezistența mercurului în timpul trecerii curentului a devenit exact zero și nu a scăzut pur și simplu atât de mult încât a devenit imposibil să o măsurați cu instrumentele vremii.

El a pus bazele unui experiment în care curentul dintr-o bobină supraconductoare scufundată în heliu lichid a continuat să circule până când genia s-a evaporat. Acul busolei, care urmărea câmpul magnetic al bobinei, nu s-a abătut deloc! În 1950, un experiment mai precis de acest fel va dura un an și jumătate, iar curentul nu va scădea în niciun fel, în ciuda unei perioade atât de lungi.

Inițial, se știe că rezistența electrică a unui metal depinde în mod semnificativ de temperatură, puteți construi un astfel de grafic pentru cupru.

Cu cât temperatura este mai mare, cu atât atomii vibrează mai mult.Cu cât atomii vibrează mai mult, cu atât devin un obstacol mai semnificativ în calea electronilor care formează curentul. Dacă temperatura metalului scade, atunci rezistența acestuia va scădea și se va apropia de o anumită rezistență reziduală R0. Și această rezistență reziduală, după cum sa dovedit, depinde de compoziția și „perfecțiunea” probei.

Cert este că defecte și impurități se găsesc în orice probă din metal. Această dependență l-a interesat pe Ones mai ales în 1911, inițial el nu s-a străduit pentru supraconductivitate, ci a dorit doar să obțină o astfel de frecvență a conductorului cât mai posibil pentru a minimiza rezistența reziduală a acestuia.

În acei ani, mercurul era mai ușor de purificat, așa că cercetătorul a dat peste el accidental, în ciuda faptului că platina, aurul și cuprul sunt conductori mai buni decât mercurul la temperaturi obișnuite, pur și simplu este mai dificil să le purificați.

Pe măsură ce temperatura scade, starea supraconductoare apare brusc la un anumit moment când temperatura atinge un anumit nivel critic. Această temperatură se numește critică, când temperatura scade și mai puțin, rezistența scade brusc la zero.

Cu cât eșantionul este mai pur, cu atât picătură este mai ascuțită, iar în cele mai pure probe această picătură are loc într-un interval mai mic de o sutime de grad, dar cu cât eșantionul este mai poluat, cu atât picătură este mai lungă și ajunge la zeci de grade, aceasta este mai ales sesizabil în supraconductori de înaltă temperatură.

Temperatura critică a probei se măsoară la mijlocul intervalului de picătură ascuțită și este individuală pentru fiecare substanță: pentru mercur 4,15K, pentru niobiu, 9,2K, pentru aluminiu, 1,18K etc. Aliajele sunt o poveste separată, supraconductivitatea lor a fost descoperită mai târziu de Onnes: mercurul cu aur și mercurul cu staniu au fost primele aliaje supraconductoare pe care le-a descoperit.

După cum sa menționat mai sus, omul de știință a efectuat răcirea cu heliu lichid. Apropo, Onnes a obținut heliu lichid după metoda proprie, dezvoltată în propriul său laborator special, fondat cu trei ani înainte de descoperirea fenomenului de supraconductivitate.

Pentru a înțelege puțin despre fizica supraconductivității, care are loc la o temperatură critică a probei, astfel încât rezistența să scadă la zero, trebuie menționat faza de tranzitie… Starea normală, când metalul are rezistență electrică normală, este faza normală. Faza supraconductoare — aceasta este starea în care metalul are rezistență zero. Această tranziție de fază are loc imediat după temperatura critică.

De ce are loc tranziția de fază? În starea „normală” inițială, electronii sunt confortabili în atomii lor, iar atunci când curentul trece printr-un fir în această stare, energia sursei este cheltuită pentru a forța unii electroni să-și părăsească atomii și să înceapă să se miște de-a lungul câmpului electric, chiar dacă întâlnesc obstacole pâlpâitoare în calea lor.

Când firul este răcit la o temperatură sub temperatura critică și, în același timp, se stabilește un curent prin el, devine mai convenabil ca electronii (energie favorabilă, energie ieftină) să fie în acest curent și să revină la original. stare „normală”, ar fi necesar în acest caz, să obținem energie în plus de undeva, dar nu vine de nicăieri. Prin urmare, starea supraconductoare este atât de stabilă încât materia nu o poate părăsi decât dacă este reîncălzită.

Vezi si:Efectul Meissner și utilizarea acestuia