Superledning af metaller, opdagelsen af ​​Heike Kamerling-Onnes

Den første til at støde på fænomenet superledning Heike Kamerling Onnes — hollandsk fysiker og kemiker. Året for opdagelsen af ​​fænomenet var 1911. Og allerede i 1913 modtager videnskabsmanden Nobelprisen i fysik for sin forskning.

Ved at gennemføre en undersøgelse af kviksølvs elektriske modstand ved ultralave temperaturer ønskede han at bestemme, til hvilket niveau modstanden af ​​et stof over for en elektrisk strøm kunne falde, hvis det blev renset for urenheder, og at reducere så meget som muligt, hvad der kan hedder. » termisk støj «, det vil sige at sænke temperaturen af ​​disse stoffer. Resultaterne var uventede og forbløffende. Ved temperaturer under 4,15 K forsvandt modstanden af ​​kviksølv pludselig helt!

Nedenfor er en graf over, hvad Onnes observerede.

Dengang vidste videnskaben allerede i det mindste så meget strøm i metaller er strømmen af ​​elektroner, som er adskilt fra deres atomer og ligesom den ladede gas føres væk af det elektriske felt.Det er som vind, når luft bevæger sig fra et område med højtryk til et område med lavtryk. Først nu, i tilfælde af strøm, i stedet for luft, er der frie elektroner, og potentialforskellen mellem enderne af ledningen er analog med trykforskellen for lufteksemplet.

I dielektrikum er dette umuligt, fordi elektronerne er tæt bundet til deres atomer, og det er meget svært at rive dem fra deres steder. Og selvom elektronerne, der danner strømmen i metaller, bevæger sig relativt frit, kolliderer de af og til med forhindringer i form af vibrerende atomer, og der opstår en slags friktion kaldet elektrisk modstand.

Men når den er ved ultralav temperatur, begynder den at manifestere sig superledningsevne, friktionseffekten forsvinder af en eller anden grund, lederens modstand falder til nul, hvilket betyder, at elektronerne bevæger sig fuldstændig frit uhindret. Men hvordan er dette muligt?

For at finde svaret på dette spørgsmål har fysikere brugt årtier på at forske. Og selv i dag kaldes almindelige ledninger "normale" ledninger, mens ledere i en tilstand af nul modstand kaldes "superledere".

Det skal bemærkes, at selvom almindelige ledere mindsker deres modstand med faldende temperatur, bliver kobber, selv ved en temperatur på flere kelvin, ikke en superleder, og det gør kviksølv, bly og aluminium, viser deres modstand sig at være mindst hundrede billioner. gange lavere end kobbers under samme forhold.

Det er værd at bemærke, at Onnes ikke fremsatte udokumenterede påstande om, at modstanden af ​​kviksølv under strømmens passage blev nøjagtig nul, og ikke blot faldt så meget, at det blev umuligt at måle det med datidens instrumenter.

Han lavede et eksperiment, hvor strømmen i en superledende spole nedsænket i flydende helium fortsatte med at cirkulere hele vejen igennem, indtil ånden fordampede. Kompasnålen, som fulgte spolens magnetfelt, afveg overhovedet ikke! I 1950 vil et mere præcist eksperiment af denne art vare halvandet år, og strømmen vil ikke falde på nogen måde, trods så lang tid.

I første omgang er det kendt, at den elektriske modstand af et metal afhænger væsentligt af temperaturen, du kan bygge en sådan graf for kobber.

Jo højere temperatur, jo mere vibrerer atomerne. Jo mere atomerne vibrerer, jo større forhindring bliver de i vejen for elektronerne, der danner strømmen. Hvis metallets temperatur falder, vil dets modstand falde og nærme sig en vis restmodstand R0. Og denne resterende modstand, som det viste sig, afhænger af sammensætningen og "perfektionen" af prøven.

Faktum er, at defekter og urenheder findes i enhver prøve lavet af metal. Denne afhængighed interesserede dem frem for alt i 1911, i begyndelsen stræbte han ikke efter superledning, men ønskede kun at opnå en sådan frekvens af lederen som muligt for at minimere dens resterende modstand.

I de år var kviksølv lettere at rense, så forskeren stødte på det ved et tilfælde, på trods af at platin, guld og kobber er bedre ledere end kviksølv ved almindelige temperaturer, er det bare sværere at rense dem.

Når temperaturen falder, opstår den superledende tilstand brat på et bestemt tidspunkt, hvor temperaturen når et vist kritisk niveau. Denne temperatur kaldes kritisk, når temperaturen falder endnu lavere, falder modstanden kraftigt til nul.

Jo renere prøven er, jo skarpere er faldet, og i de reneste prøver sker dette fald i et interval på mindre end en hundrededel af en grad, men jo mere forurenet prøven er, jo længere falder faldet og når titusinder af grader, dette er især mærkbar i højtemperatur superledere.

Prøvens kritiske temperatur måles i midten af ​​det skarpe faldinterval og er individuel for hvert stof: for kviksølv 4,15K, for niobium, 9,2K, for aluminium, 1,18K osv. Legeringer er en separat historie, deres superledningsevne blev opdaget senere af Onnes: kviksølv med guld og kviksølv med tin var de første superledende legeringer, han opdagede.

Som nævnt ovenfor udførte videnskabsmanden afkølingen med flydende helium. I øvrigt opnåede Onnes flydende helium efter sin egen metode, udviklet i sit eget specielle laboratorium, grundlagt tre år før opdagelsen af ​​fænomenet superledning.

For at forstå lidt om fysikken i superledning, som opstår ved en kritisk temperatur af prøven, så modstanden falder til nul, bør det nævnes faseovergang... Den normale tilstand, når metallet har normal elektrisk modstand, er den normale fase. Superledende fase — dette er tilstanden, når metallet har nul modstand. Denne faseovergang sker umiddelbart efter den kritiske temperatur.

Hvorfor sker faseovergangen? I den indledende "normale" tilstand er elektronerne komfortable i deres atomer, og når strømmen løber gennem en ledning i denne tilstand, bruges kildens energi til at tvinge nogle elektroner til at forlade deres atomer og begynde at bevæge sig langs det elektriske felt, selvom de støder på flimrende forhindringer på deres veje.

Når ledningen afkøles til en temperatur under den kritiske temperatur, og der samtidig etableres en strøm gennem den, bliver det mere bekvemt for elektronerne (energigunstige, energibillige) at være i denne strøm, og at vende tilbage til den oprindelige "normal" tilstand, det ville være nødvendigt i dette tilfælde, at få ekstra energi fra et sted, men det kommer ikke fra nogen steder. Derfor er den superledende tilstand så stabil, at stof ikke kan forlade den, medmindre den genopvarmes.

Se også:Meissner-effekten og dens anvendelse