Суперпроводљивост метала, откриће Хеике Камерлинг-Онес

Први који је наишао на феномен суперпроводљивости Хеике Камерлинг Оннес — холандски физичар и хемичар. Година открића феномена била је 1911. И већ 1913. године научник ће добити Нобелову награду за физику за своја истраживања.

Спроводећи студију електричног отпора живе на ултраниским температурама, желео је да утврди до ког нивоа би отпор неке супстанце на електричну струју могао да падне ако би се очистила од нечистоћа, и да што више смањи оно што је могуће. позвани. „термички шум“, односно да снизи температуру ових материја. Резултати су били неочекивани и запањујући. На температурама испод 4,15 К, отпор живе је изненада потпуно нестао!

Испод је графикон онога што је Оннес приметио.

У то време наука је већ знала бар толико струја у металима је ток електрона, који су одвојени од својих атома и, попут наелектрисаног гаса, однесени су електричним пољем.То је као ветар када се ваздух креће из области високог притиска у област ниског притиска. Тек сада, у случају струје, уместо ваздуха, постоје слободни електрони, а разлика потенцијала између крајева жице је аналогна разлици притиска за пример ваздуха.

У диелектрицима је то немогуће, јер су електрони чврсто везани за своје атоме и веома их је тешко откинути са места. И иако се у металима електрони који формирају струју крећу релативно слободно, повремено се сударају са препрекама у виду вибрирајућих атома и јавља се нека врста трења тзв. електрична отпорност.

Али када је на ултра ниској температури почиње да се манифестује суперпроводљивост, ефекат трења из неког разлога нестаје, отпор проводника пада на нулу, што значи да се електрони крећу потпуно слободно, несметано. Али како је то могуће?

Да би пронашли одговор на ово питање, физичари су провели деценије у истраживању. А и данас се обичне жице називају „нормалним“ жицама, док проводници у стању нултог отпора називају се "суперпроводници".

Треба напоменути да иако обични проводници смањују свој отпор са смањењем температуре, бакар, чак и на температури од неколико келвина, не постаје суперпроводник, а жива, олово и алуминијум постају, њихов отпор се испоставља да је најмање сто трилиона пута ниже од бакра под истим условима.

Вреди напоменути да Оннес није изнео неутемељене тврдње да је отпор живе током проласка струје постао тачно нула, и да није једноставно опао толико да је постало немогуће измерити га инструментима тог времена.

Он је поставио експеримент у коме је струја у суправодљивој завојници уроњеној у течни хелијум наставила да кружи све док дух није испарио. Игла компаса, која је пратила магнетно поље калема, није нимало одступила! 1950. тачнији експеримент ове врсте трајаће годину и по дана, а струја се ни на који начин неће смањити, упркос тако дугом временском периоду.

У почетку је познато да електрични отпор метала значајно зависи од температуре, можете направити такав графикон за бакар.

Што је температура виша, то више атоми вибрирају Што више атоми вибрирају, то постају значајнија препрека на путу електрона који формирају струју. Ако се температура метала смањи, онда ће се његов отпор смањити и приближити се одређеном заосталом отпору Р0. А овај резидуални отпор, како се испоставило, зависи од састава и "савршености" узорка.

Чињеница је да се у било ком узорку направљеном од метала налазе недостаци и нечистоће. Ова зависност је пре свега заинтересовала Њега 1911. године, у почетку није тежио суправодљивости, већ је само желео да постигне такву фреквенцију проводника што је могуће да би минимизирао његов преостали отпор.

Тих година живу је било лакше пречишћавати, па је истраживач на њу наишао случајно, и поред тога што су платина, злато и бакар на уобичајеним температурама бољи проводници од живе, само их је теже пречистити.

Како температура опада, суперпроводно стање се јавља нагло у одређеном тренутку када температура достигне одређени критични ниво. Ова температура се назива критичном, када температура падне још ниже, отпор нагло пада на нулу.

Што је узорак чистији, то је пад оштрији, а код најчистијих узорака овај пад се јавља у интервалу мањем од стотог дела степена, али што је узорак загађенији, то је пад дужи и достиже десетине степени, то је посебно приметно у високотемпературни суперпроводници.

Критична температура узорка мери се у средини интервала оштрог пада и индивидуална је за сваку супстанцу: за живу 4,15К, за ниобијум 9,2К, за алуминијум 1,18К итд. Легуре су посебна прича, њихову суперпроводљивост је касније открио Онес: жива са златом и жива са калајем биле су прве суперпроводне легуре које је открио.

Као што је горе поменуто, научник је извршио хлађење течним хелијумом. Иначе, Онес је добио течни хелијум по сопственој методи, развијеној у сопственој специјалној лабораторији, основаној три године пре открића феномена суперпроводљивости.

Да бисмо мало разумели физику суперпроводљивости, која се јавља на критичној температури узорка тако да отпор пада на нулу, треба поменути фазни прелаз… Нормално стање, када метал има нормалан електрични отпор, је нормална фаза. Суперпроводна фаза — ово је стање када метал има нулти отпор. Овај фазни прелаз се дешава одмах након критичне температуре.

Зашто долази до фазног прелаза? У почетном „нормалном“ стању, електрони су удобни у својим атомима, а када струја тече кроз жицу у овом стању, енергија извора се троши да примора неке електроне да напусте своје атоме и почну да се крећу дуж електричног поља, иако наилазе на трепераве препреке на својим путевима.

Када се жица охлади на температуру испод критичне температуре и истовремено се кроз њу успостави струја, постаје згодније да електрони (енергетски повољни, енергетски јефтини) буду у овој струји и да се врате у првобитно стање. "нормалном" стању, у овом случају би било неопходно да се однекуд добије додатна енергија, али она не долази ниоткуда. Према томе, суправодљиво стање је толико стабилно да материја не може да га напусти ако се поново не загреје.

Такође видети:Мајснеров ефекат и његова употреба