Superledning av metaller, upptäckten av Heike Kamerling-Onnes

Den första som stötte på fenomenet supraledning Heike Kamerling Onnes — holländsk fysiker och kemist. Året för upptäckten av fenomenet var 1911. Och redan 1913 kommer vetenskapsmannen att få Nobelpriset i fysik för sin forskning.

Genom att genomföra en studie av det elektriska motståndet hos kvicksilver vid ultralåga temperaturer, ville han bestämma till vilken nivå motståndet hos ett ämne mot en elektrisk ström skulle kunna sjunka om det renades från föroreningar, och att så mycket som möjligt minska vad som kan vara kallad. » termiskt brus «, det vill säga för att sänka temperaturen på dessa ämnen. Resultaten var oväntade och häpnadsväckande. Vid temperaturer under 4,15 K försvann plötsligt kvicksilvrets motstånd helt!

Nedan är en graf över vad Onnes observerade.

På den tiden visste vetenskapen redan åtminstone så mycket ström i metaller är flödet av elektroner, som är separerade från sina atomer och, liksom den laddade gasen, förs bort av det elektriska fältet.Det är som vind när luft rör sig från ett område med högt tryck till ett område med lågtryck. Först nu, när det gäller ström, i stället för luft, finns det fria elektroner, och potentialskillnaden mellan ändarna på tråden är analog med tryckskillnaden för luftexemplet.

I dielektrikum är detta omöjligt, eftersom elektronerna är hårt bundna till sina atomer och det är mycket svårt att slita dem från sina platser. Och även om elektronerna som bildar strömmen i metaller rör sig relativt fritt, kolliderar de då och då med hinder i form av vibrerande atomer och det uppstår en slags friktion som kallas elektrisk resistans.

Men när den är vid ultralåg temperatur börjar den visa sig supraledning, friktionseffekten försvinner av någon anledning, ledarens motstånd sjunker till noll, vilket gör att elektronerna rör sig helt fritt, obehindrat. Men hur är detta möjligt?

För att hitta svaret på denna fråga har fysiker ägnat decennier åt att forska. Och än idag kallas vanliga ledningar för "normala" ledningar, medan ledare i ett tillstånd av nollresistans kallas "supraledare".

Det bör noteras att även om vanliga ledare minskar sitt motstånd med sjunkande temperatur, blir koppar, även vid en temperatur på flera kelviner, inte en supraledare, och kvicksilver, bly och aluminium gör det, visar sig deras motstånd vara minst hundra biljoner gånger lägre än för koppar under samma förhållanden.

Det är värt att notera att Onnes inte gjorde ogrundade påståenden om att kvicksilvrets resistans under strömpassagen blev exakt noll, och inte bara sjönk så mycket att det blev omöjligt att mäta det med dåtidens instrument.

Han startade ett experiment där strömmen i en supraledande spole nedsänkt i flytande helium fortsatte att cirkulera hela tiden tills anden förångades. Kompassnålen, som följde spolens magnetfält, avvek inte alls! 1950 kommer ett mer exakt experiment av detta slag att pågå i ett och ett halvt år, och strömmen kommer inte att minska på något sätt, trots en så lång tidsperiod.

Inledningsvis är det känt att det elektriska motståndet hos en metall avsevärt beror på temperaturen, du kan bygga en sådan graf för koppar.

Ju högre temperatur, desto mer vibrerar atomerna. Ju mer atomerna vibrerar, desto större hinder blir de i vägen för elektronerna som bildar strömmen. Om temperaturen på metallen minskar, kommer dess motstånd att minska och närma sig ett visst restmotstånd R0. Och detta restmotstånd, som det visade sig, beror på provets sammansättning och "perfektion".

Faktum är att defekter och föroreningar finns i alla prover gjorda av metall. Detta beroende intresserade Ones framför allt 1911, från början strävade han inte efter supraledning, utan ville bara uppnå en sådan frekvens hos ledaren som möjligt för att minimera dess restresistans.

På de åren var kvicksilver lättare att rena, så forskaren kom över det av en slump, trots att platina, guld och koppar är bättre ledare än kvicksilver vid vanliga temperaturer, är det bara svårare att rena dem.

När temperaturen sjunker uppstår det supraledande tillståndet abrupt vid ett visst ögonblick då temperaturen når en viss kritisk nivå. Denna temperatur kallas kritisk, när temperaturen sjunker ännu lägre, sjunker motståndet kraftigt till noll.

Ju renare prov, desto skarpare fall, och i de renaste proven sker detta fall i ett intervall på mindre än en hundradels grad, men ju mer förorenat provet är, desto längre fall och når tiotals grader, detta är särskilt märks i högtemperatursupraledare.

Den kritiska temperaturen för provet mäts i mitten av det skarpa fallintervallet och är individuell för varje ämne: för kvicksilver 4,15K, för niob, 9,2K, för aluminium, 1,18K, etc. Legeringar är en separat historia, deras supraledning upptäcktes senare av Onnes: kvicksilver med guld och kvicksilver med tenn var de första supraledande legeringarna han upptäckte.

Som nämnts ovan utförde forskaren kylningen med flytande helium. Förresten fick Onnes flytande helium enligt sin egen metod, utvecklad i sitt eget speciallaboratorium, grundat tre år före upptäckten av fenomenet supraledning.

För att förstå lite om fysik av supraledning, som inträffar vid en kritisk temperatur på provet så att motståndet sjunker till noll, bör det nämnas Fasövergång... Det normala tillståndet, när metallen har normalt elektriskt motstånd, är normalfasen. Supraledande fas — detta är tillståndet när metallen har noll motstånd. Denna fasövergång sker omedelbart efter den kritiska temperaturen.

Varför sker fasövergången? I det initiala "normala" tillståndet är elektronerna bekväma i sina atomer, och när ström flyter genom en tråd i detta tillstånd, förbrukas källans energi för att tvinga några elektroner att lämna sina atomer och börja röra sig längs det elektriska fältet, även om de stöter på flimrande hinder på deras vägar.

När tråden kyls till en temperatur under den kritiska temperaturen och samtidigt etableras en ström genom den, blir det bekvämare för elektronerna (energigynnsamma, energibilliga) att vara i denna ström och att återgå till den ursprungliga "normalt" tillstånd, det skulle vara nödvändigt i det här fallet, att få extra energi från någonstans, men det kommer inte från någonstans. Därför är det supraledande tillståndet så stabilt att materia inte kan lämna det om det inte återupphettas.

Se även:Meissner-effekten och dess användning