Superconductivity ng mga metal, ang pagtuklas ng Heike Kamerling-Onnes

Ang unang nakatagpo ng kababalaghan ng superconductivity Heike Kamerling Onnes — Dutch physicist at chemist. Ang taon ng pagtuklas ng phenomenon ay 1911. At na sa 1913, ang siyentipiko ay makakatanggap ng Nobel Prize sa Physics para sa kanyang pananaliksik.

Sa pagsasagawa ng isang pag-aaral ng electrical resistance ng mercury sa napakababang temperatura, nais niyang matukoy kung hanggang saan ang antas na maaaring bumaba ang resistensya ng isang substance sa isang electric current kung ito ay nililinis ng mga impurities, at upang mabawasan hangga't maaari kung ano ang maaaring tinawag. » thermal noise «, iyon ay, upang mapababa ang temperatura ng mga sangkap na ito. Ang mga resulta ay hindi inaasahan at kamangha-mangha. Sa mga temperaturang mababa sa 4.15 K, ang paglaban ng mercury ay biglang nawala nang tuluyan!

Nasa ibaba ang isang graph ng naobserbahan ni Onnes.

Noong mga panahong iyon, alam na ng agham ang kahit gaano karami Ang kasalukuyang sa mga metal ay ang daloy ng mga electron, na nahihiwalay sa kanilang mga atomo at, tulad ng sinisingil na gas, ay dinadala ng electric field.Ito ay tulad ng hangin kapag ang hangin ay gumagalaw mula sa isang lugar na may mataas na presyon patungo sa isang lugar na may mababang presyon. Ngayon lamang, sa kaso ng kasalukuyang, sa halip na hangin, mayroong mga libreng electron, at ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga dulo ng kawad ay kahalintulad sa pagkakaiba ng presyon para sa halimbawa ng hangin.

Sa dielectrics, imposible ito, dahil ang mga electron ay mahigpit na nakagapos sa kanilang mga atomo at napakahirap na mapunit ang mga ito mula sa kanilang mga lugar. At bagama't sa mga metal ang mga electron na bumubuo ng kasalukuyang gumagalaw ay medyo malaya, paminsan-minsan sila ay bumabangga sa mga hadlang sa anyo ng mga atom na nanginginig at nangyayari ang isang uri ng friction na tinatawag na. paglaban sa kuryente.

Ngunit kapag sa sobrang mababang temperatura ay nagsisimula itong magpakita mismo superconductivity, ang epekto ng friction ay nawawala sa ilang kadahilanan, ang paglaban ng konduktor ay bumaba sa zero, na nangangahulugan na ang mga electron ay ganap na malayang gumagalaw, walang harang. Ngunit paano ito posible?

Upang mahanap ang sagot sa tanong na ito, ang mga physicist ay gumugol ng ilang dekada sa pagsasaliksik. At kahit ngayon, ang mga ordinaryong wire ay tinatawag na "normal" na mga wire, habang Ang mga konduktor sa isang estado ng zero resistance ay tinatawag na "superconductor".

Dapat pansinin na kahit na ang mga ordinaryong konduktor ay bumababa sa kanilang paglaban sa pagbaba ng temperatura, ang tanso, kahit na sa isang temperatura ng ilang mga kelvin, ay hindi nagiging isang superconductor, at ang mercury, lead at aluminyo ay ginagawa, ang kanilang paglaban ay lumalabas na hindi bababa sa isang daang trilyon. beses na mas mababa kaysa sa tanso sa ilalim ng parehong mga kondisyon.

Kapansin-pansin na si Onnes ay hindi gumawa ng hindi napapatunayang mga pag-aangkin na ang paglaban ng mercury sa panahon ng pagpasa ng kasalukuyang ay naging eksaktong zero, at hindi lamang bumaba nang labis na naging imposibleng sukatin ito gamit ang mga instrumento ng panahon.

Nag-set up siya ng isang eksperimento kung saan ang agos sa isang superconducting coil na nakalubog sa likidong helium ay patuloy na umiikot hanggang sa sumingaw ang genie. Ang compass needle, na sumunod sa magnetic field ng coil, ay hindi lumihis sa lahat! Noong 1950, ang isang mas tumpak na eksperimento sa ganitong uri ay tatagal ng isang taon at kalahati, at ang kasalukuyang hindi bababa sa anumang paraan, sa kabila ng napakahabang panahon.

Sa una, ito ay kilala na ang electrical resistance ng isang metal ay nakasalalay nang malaki sa temperatura, maaari kang bumuo ng tulad ng isang graph para sa tanso.

Kung mas mataas ang temperatura, mas nag-vibrate ang mga atom. Kung mas nag-vibrate ang mga atom, mas nagiging hadlang ang mga ito sa landas ng mga electron na bumubuo ng kasalukuyang. Kung bumababa ang temperatura ng metal, bababa ang paglaban nito at lalapit sa isang tiyak na natitirang paglaban R0. At ang natitirang pagtutol na ito, tulad ng nangyari, ay nakasalalay sa komposisyon at "kasakdalan" ng sample.

Ang katotohanan ay ang mga depekto at impurities ay matatagpuan sa anumang sample na gawa sa metal. Ang pag-asa na ito ay interesado sa mga Ones higit sa lahat noong 1911, sa una ay hindi siya nagsusumikap para sa superconductivity, ngunit nais lamang na makamit ang gayong dalas ng konduktor hangga't maaari upang mabawasan ang natitirang pagtutol nito.

Sa mga taong iyon, ang mercury ay mas madaling linisin, kaya ang mananaliksik ay nakilala ito nang hindi sinasadya, sa kabila ng katotohanan na ang platinum, ginto at tanso ay mas mahusay na mga konduktor kaysa sa mercury sa ordinaryong temperatura, mas mahirap lamang itong linisin.

Habang bumababa ang temperatura, ang superconducting state ay nangyayari nang biglaan sa isang tiyak na sandali kapag ang temperatura ay umabot sa isang partikular na kritikal na antas. Ang temperatura na ito ay tinatawag na kritikal, kapag ang temperatura ay bumaba nang mas mababa, ang paglaban ay bumaba nang husto sa zero.

Kung mas dalisay ang sample, mas matalas ang patak, at sa mga pinakadalisay na sample, nangyayari ang patak na ito sa pagitan ng mas mababa sa isang daan ng isang degree, ngunit kapag mas polluted ang sample, mas mahaba ang drop at umabot sa sampu-sampung degree, lalo na ito kapansin-pansin sa mataas na temperatura superconductor.

Ang kritikal na temperatura ng sample ay sinusukat sa gitna ng matalim na drop interval at indibidwal para sa bawat substance: para sa mercury 4.15K, para sa niobium, 9.2K, para sa aluminum, 1.18K, atbp. Ang mga haluang metal ay isang hiwalay na kuwento, ang kanilang superconductivity ay natuklasan ni Onnes nang maglaon: ang mercury na may ginto at mercury na may lata ay ang unang superconducting alloy na natuklasan niya.

Tulad ng nabanggit sa itaas, isinagawa ng siyentipiko ang paglamig na may likidong helium. Sa pamamagitan ng paraan, nakuha ni Onnes ang likidong helium ayon sa kanyang sariling pamamaraan, na binuo sa kanyang sariling espesyal na laboratoryo, na itinatag tatlong taon bago ang pagtuklas ng hindi pangkaraniwang bagay ng superconductivity.

Upang maunawaan nang kaunti ang tungkol sa physics ng superconductivity, na nangyayari sa isang kritikal na temperatura ng sample upang ang paglaban ay bumaba sa zero, dapat itong banggitin phase transition… Ang normal na estado, kapag ang metal ay may normal na electrical resistance, ay ang normal na yugto. Superconducting phase — ito ang estado kapag ang metal ay may zero resistance. Ang phase transition na ito ay nangyayari kaagad pagkatapos ng kritikal na temperatura.

Bakit nangyayari ang phase transition? Sa paunang "normal" na estado, ang mga electron ay kumportable sa kanilang mga atomo, at kapag ang kasalukuyang dumadaloy sa isang kawad sa estadong ito, ang enerhiya ng pinagmulan ay ginugugol upang pilitin ang ilang mga electron na umalis sa kanilang mga atomo at magsimulang gumalaw sa kahabaan ng electric field, kahit na nakatagpo ng mga kumukutitap na balakid sa kanilang mga landas.

Kapag ang wire ay pinalamig sa isang temperatura na mas mababa sa kritikal na temperatura at sa parehong oras ang isang kasalukuyang ay naitatag sa pamamagitan nito, ito ay nagiging mas maginhawa para sa mga electron (energy favorable, energy cheap) na nasa kasalukuyang ito, at bumalik sa orihinal. "normal" na estado, ito ay kinakailangan sa kasong ito, upang makakuha ng dagdag na enerhiya mula sa isang lugar, ngunit hindi ito nanggaling sa kahit saan. Samakatuwid, ang estado ng superconducting ay napakatatag na ang bagay ay hindi maaaring umalis dito maliban kung ito ay muling pinainit.

Tingnan din:Meissner effect at ang paggamit nito