Superkonduktiviti logam, penemuan Heike Kamerling-Onnes

Yang pertama menemui fenomena superkonduktiviti Heike Kamerling Onnes — Ahli fizik dan kimia Belanda. Tahun penemuan fenomena itu ialah 1911. Dan sudah pada tahun 1913, saintis itu akan menerima Hadiah Nobel dalam Fizik untuk penyelidikannya.

Menjalankan kajian tentang rintangan elektrik merkuri pada suhu ultra-rendah, dia ingin menentukan ke tahap apa rintangan bahan kepada arus elektrik boleh jatuh jika ia dibersihkan daripada kekotoran, dan untuk mengurangkan sebanyak mungkin apa yang boleh dipanggil. » bunyi haba «, iaitu, untuk menurunkan suhu bahan-bahan ini. Hasilnya di luar jangkaan dan mengejutkan. Pada suhu di bawah 4.15 K, rintangan merkuri tiba-tiba hilang sepenuhnya!

Di bawah ialah graf tentang apa yang diperhatikan oleh Onnes.

Pada zaman itu, sains sudah tahu sekurang-kurangnya sebanyak itu arus dalam logam ialah aliran elektron, yang dipisahkan daripada atomnya dan, seperti gas bercas, dibawa pergi oleh medan elektrik.Ia seperti angin apabila udara bergerak dari kawasan bertekanan tinggi ke kawasan bertekanan rendah. Hanya sekarang, dalam kes arus, bukannya udara, terdapat elektron bebas, dan perbezaan potensi antara hujung wayar adalah sama dengan perbezaan tekanan untuk contoh udara.

Dalam dielektrik, ini adalah mustahil, kerana elektron terikat rapat dengan atom mereka dan sangat sukar untuk mengoyakkannya dari tempatnya. Dan walaupun dalam logam elektron yang membentuk arus bergerak secara relatif bebas, mereka kadang-kadang berlanggar dengan halangan dalam bentuk atom yang bergetar dan sejenis geseran berlaku yang dipanggil. rintangan elektrik.

Tetapi apabila pada suhu ultra-rendah ia mula nyata superkonduktiviti, kesan geseran hilang atas sebab tertentu, rintangan konduktor jatuh kepada sifar, yang bermaksud bahawa elektron bergerak bebas sepenuhnya, tanpa halangan. Tetapi bagaimana ini mungkin?

Untuk mencari jawapan kepada soalan ini, ahli fizik telah menghabiskan beberapa dekad untuk menyelidik. Dan walaupun hari ini, wayar biasa dipanggil wayar "biasa", manakala konduktor dalam keadaan rintangan sifar dipanggil "superkonduktor".

Perlu diingatkan bahawa walaupun konduktor biasa mengurangkan rintangannya dengan penurunan suhu, tembaga, walaupun pada suhu beberapa kelvin, tidak menjadi superkonduktor, dan merkuri, plumbum dan aluminium, rintangan mereka ternyata sekurang-kurangnya seratus trilion. kali lebih rendah daripada tembaga dalam keadaan yang sama.

Perlu diingat bahawa Onnes tidak membuat dakwaan yang tidak berasas bahawa rintangan merkuri semasa laluan arus menjadi betul-betul sifar, dan tidak begitu sahaja menurun sehingga menjadi mustahil untuk mengukurnya dengan instrumen pada masa itu.

Dia mengadakan satu eksperimen di mana arus dalam gegelung superkonduktor yang direndam dalam helium cecair terus beredar sehingga jin tersejat. Jarum kompas, yang mengikuti medan magnet gegelung, tidak menyimpang sama sekali! Pada tahun 1950, percubaan yang lebih tepat seperti ini akan berlangsung selama satu setengah tahun, dan arus tidak akan berkurangan dalam apa cara sekalipun, walaupun dalam tempoh masa yang begitu lama.

Pada mulanya, diketahui bahawa rintangan elektrik logam bergantung dengan ketara pada suhu, anda boleh membina graf sedemikian untuk tembaga.

Semakin tinggi suhu, semakin banyak atom bergetar. Semakin banyak atom bergetar, semakin ketara halangannya dalam laluan elektron yang membentuk arus. Jika suhu logam berkurangan, maka rintangannya akan berkurangan dan menghampiri rintangan baki tertentu R0. Dan rintangan sisa ini, ternyata, bergantung pada komposisi dan "kesempurnaan" sampel.

Hakikatnya ialah kecacatan dan kekotoran ditemui dalam mana-mana sampel yang diperbuat daripada logam. Pergantungan ini menarik minat Ones di atas semua pada tahun 1911, pada mulanya dia tidak berusaha untuk superkonduktiviti, tetapi hanya ingin mencapai frekuensi konduktor yang mungkin untuk meminimumkan rintangan sisanya.

Pada tahun-tahun itu, merkuri lebih mudah untuk ditulenkan, jadi penyelidik menemuinya secara tidak sengaja, walaupun fakta bahawa platinum, emas dan tembaga adalah konduktor yang lebih baik daripada merkuri pada suhu biasa, hanya lebih sukar untuk membersihkannya.

Apabila suhu menurun, keadaan superkonduktor berlaku secara tiba-tiba pada saat tertentu apabila suhu mencapai tahap kritikal tertentu. Suhu ini dipanggil kritikal, apabila suhu jatuh lebih rendah, rintangan jatuh secara mendadak kepada sifar.

Semakin tulen sampel, semakin tajam kejatuhan, dan dalam sampel yang paling tulen, penurunan ini berlaku dalam selang kurang daripada seperseratus darjah, tetapi semakin tercemar sampel, semakin lama penurunan dan mencapai puluhan darjah, ini terutamanya ketara dalam superkonduktor suhu tinggi.

Suhu kritikal sampel diukur di tengah-tengah selang penurunan tajam dan adalah individu untuk setiap bahan: untuk merkuri 4.15K, untuk niobium, 9.2K, untuk aluminium, 1.18K, dsb. Aloi adalah cerita yang berasingan, superkonduktiviti mereka ditemui kemudian oleh Onnes: merkuri dengan emas dan merkuri dengan timah adalah aloi superkonduktif pertama yang ditemuinya.

Seperti yang dinyatakan di atas, saintis melakukan penyejukan dengan helium cecair. By the way, Onnes memperoleh helium cecair mengikut kaedahnya sendiri, dibangunkan di makmal khasnya sendiri, diasaskan tiga tahun sebelum penemuan fenomena superkonduktiviti.

Untuk memahami sedikit tentang fizik superkonduktiviti, yang berlaku pada suhu kritikal sampel supaya rintangan jatuh kepada sifar, ia harus disebut peralihan fasa… Keadaan normal, apabila logam mempunyai rintangan elektrik biasa, ialah fasa normal. Fasa superkonduktor — ini ialah keadaan apabila logam mempunyai rintangan sifar. Peralihan fasa ini berlaku sejurus selepas suhu kritikal.

Mengapa peralihan fasa berlaku? Dalam keadaan "normal" awal, elektron selesa dalam atomnya, dan apabila arus mengalir melalui wayar dalam keadaan ini, tenaga sumber dibelanjakan untuk memaksa beberapa elektron meninggalkan atomnya dan mula bergerak di sepanjang medan elektrik, walaupun menghadapi halangan yang berkelip di jalan mereka.

Apabila wayar disejukkan ke suhu di bawah suhu kritikal dan pada masa yang sama arus ditubuhkan melaluinya, ia menjadi lebih mudah untuk elektron (tenaga yang menguntungkan, murah tenaga) berada dalam arus ini, dan kembali kepada asal. keadaan "biasa", adalah perlu dalam kes ini, untuk mendapatkan tenaga tambahan dari suatu tempat, tetapi ia tidak datang dari mana-mana. Oleh itu, keadaan superkonduktor adalah sangat stabil sehingga jirim tidak boleh meninggalkannya melainkan ia dipanaskan semula.

Lihat juga:Kesan Meissner dan penggunaannya