Υπεραγωγιμότητα των μετάλλων, η ανακάλυψη του Heike Kamerling-Onnes

Ο πρώτος που συνάντησε το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας Heike Kamerling Onnes — Ολλανδός φυσικός και χημικός. Το έτος ανακάλυψης του φαινομένου ήταν το 1911. Και ήδη το 1913, ο επιστήμονας θα λάβει το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την έρευνά του.

Διεξάγοντας μια μελέτη της ηλεκτρικής αντίστασης του υδραργύρου σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, ήθελε να προσδιορίσει σε ποιο επίπεδο θα μπορούσε να πέσει η αντίσταση μιας ουσίας στο ηλεκτρικό ρεύμα εάν καθαριζόταν από ακαθαρσίες και να μειώσει όσο το δυνατόν περισσότερο αυτό που μπορεί να που ονομάζεται. «θερμικός θόρυβος», δηλαδή μείωση της θερμοκρασίας αυτών των ουσιών. Τα αποτελέσματα ήταν απροσδόκητα και εντυπωσιακά. Σε θερμοκρασίες κάτω από 4,15 Κ, η αντίσταση του υδραργύρου ξαφνικά εξαφανίστηκε εντελώς!

Παρακάτω είναι ένα γράφημα των όσων παρατήρησε ο Onnes.

Εκείνες τις μέρες, η επιστήμη γνώριζε ήδη τουλάχιστον τόσα πολλά ρεύμα στα μέταλλα είναι η ροή των ηλεκτρονίων, τα οποία διαχωρίζονται από τα άτομα τους και, όπως το φορτισμένο αέριο, παρασύρονται από το ηλεκτρικό πεδίο.Είναι σαν τον άνεμο όταν ο αέρας μετακινείται από μια περιοχή υψηλής πίεσης σε μια περιοχή χαμηλής πίεσης. Μόνο που τώρα, στην περίπτωση του ρεύματος, αντί για αέρα, υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και η διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων του σύρματος είναι ανάλογη με τη διαφορά πίεσης για το παράδειγμα αέρα.

Στα διηλεκτρικά, αυτό είναι αδύνατο, γιατί τα ηλεκτρόνια είναι στενά συνδεδεμένα με τα άτομά τους και είναι πολύ δύσκολο να τα αποσπάσουν από τις θέσεις τους. Και παρόλο που στα μέταλλα τα ηλεκτρόνια που σχηματίζουν το ρεύμα κινούνται σχετικά ελεύθερα, περιστασιακά συγκρούονται με εμπόδια με τη μορφή δονούμενων ατόμων και εμφανίζεται ένα είδος τριβής που ονομάζεται ηλεκτρική αντίσταση.

Αλλά όταν σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία αρχίζει να εκδηλώνεται υπεραγωγιμότητα, το φαινόμενο της τριβής εξαφανίζεται για κάποιο λόγο, η αντίσταση του αγωγού πέφτει στο μηδέν, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται εντελώς ελεύθερα, ανεμπόδιστα. Πώς είναι όμως αυτό δυνατό;

Για να βρουν την απάντηση σε αυτό το ερώτημα, οι φυσικοί έχουν περάσει δεκαετίες ερευνώντας. Και ακόμη και σήμερα, τα συνηθισμένα καλώδια ονομάζονται «κανονικά» σύρματα, ενώ Οι αγωγοί σε κατάσταση μηδενικής αντίστασης ονομάζονται "υπεραγωγοί".

Πρέπει να σημειωθεί ότι αν και οι συνηθισμένοι αγωγοί μειώνουν την αντίστασή τους με τη μείωση της θερμοκρασίας, ο χαλκός, ακόμη και σε θερμοκρασία πολλών kelvin, δεν γίνεται υπεραγωγός και ο υδράργυρος, ο μόλυβδος και το αλουμίνιο γίνονται, η αντίστασή τους αποδεικνύεται ότι είναι τουλάχιστον εκατό τρισεκατομμύρια φορές χαμηλότερο από αυτό του χαλκού υπό τις ίδιες συνθήκες.

Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Onnes δεν έκανε αστήρικτους ισχυρισμούς ότι η αντίσταση του υδραργύρου κατά τη διέλευση του ρεύματος έγινε ακριβώς μηδενική, και δεν έπεσε απλώς τόσο πολύ που κατέστη αδύνατη η μέτρησή της με όργανα της εποχής.

Οργάνωσε ένα πείραμα στο οποίο το ρεύμα σε ένα υπεραγώγιμο πηνίο βυθισμένο σε υγρό ήλιο συνέχισε να κυκλοφορεί μέχρι να εξατμιστεί το τζίνι. Η βελόνα της πυξίδας, που ακολουθούσε το μαγνητικό πεδίο του πηνίου, δεν παρέκκλινε καθόλου! Το 1950, ένα πιο ακριβές πείραμα αυτού του είδους θα διαρκέσει ενάμιση χρόνο και το ρεύμα δεν θα μειωθεί με κανέναν τρόπο, παρά το τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα.

Αρχικά, είναι γνωστό ότι η ηλεκτρική αντίσταση ενός μετάλλου εξαρτάται σημαντικά από τη θερμοκρασία, μπορείτε να φτιάξετε ένα τέτοιο γράφημα για τον χαλκό.

Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο περισσότερο δονούνται τα άτομα.Όσο περισσότερο δονούνται τα άτομα, τόσο πιο σημαντικό εμπόδιο γίνονται στη διαδρομή των ηλεκτρονίων που σχηματίζουν το ρεύμα. Εάν η θερμοκρασία του μετάλλου μειωθεί, τότε η αντίστασή του θα μειωθεί και θα πλησιάσει μια ορισμένη υπολειμματική αντίσταση R0. Και αυτή η υπολειμματική αντίσταση, όπως αποδείχθηκε, εξαρτάται από τη σύνθεση και την «τελειότητα» του δείγματος.

Το γεγονός είναι ότι ελαττώματα και ακαθαρσίες βρίσκονται σε οποιοδήποτε δείγμα από μέταλλο. Αυτή η εξάρτηση ενδιέφερε τον Ones πάνω από όλα το 1911, αρχικά δεν προσπάθησε για υπεραγωγιμότητα, αλλά ήθελε μόνο να επιτύχει μια τέτοια συχνότητα του αγωγού όσο το δυνατόν για να ελαχιστοποιήσει την υπολειπόμενη αντίστασή του.

Εκείνα τα χρόνια, ο υδράργυρος ήταν ευκολότερος να καθαριστεί, οπότε ο ερευνητής τον συνάντησε τυχαία, παρά το γεγονός ότι η πλατίνα, ο χρυσός και ο χαλκός είναι καλύτεροι αγωγοί από τον υδράργυρο σε συνηθισμένες θερμοκρασίες, απλά είναι πιο δύσκολο να καθαριστούν.

Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, η κατάσταση υπεραγωγιμότητας εμφανίζεται απότομα σε μια συγκεκριμένη στιγμή που η θερμοκρασία φτάνει σε ένα ορισμένο κρίσιμο επίπεδο. Αυτή η θερμοκρασία ονομάζεται κρίσιμη, όταν η θερμοκρασία πέφτει ακόμη χαμηλότερα, η αντίσταση πέφτει απότομα στο μηδέν.

Όσο πιο καθαρό είναι το δείγμα, τόσο πιο έντονη είναι η πτώση και στα πιο καθαρά δείγματα αυτή η πτώση εμφανίζεται σε διάστημα μικρότερο από το εκατοστό της μοίρας, αλλά όσο πιο μολυσμένο είναι το δείγμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η πτώση και φτάνει τους δεκάδες βαθμούς, αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητή σε υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας.

Η κρίσιμη θερμοκρασία του δείγματος μετριέται στο μέσο του διαστήματος απότομης πτώσης και είναι ατομική για κάθε ουσία: για τον υδράργυρο 4,15 K, για το νιόβιο, 9,2 K, για το αλουμίνιο, 1,18 K, κ.λπ. Τα κράματα είναι μια ξεχωριστή ιστορία, η υπεραγωγιμότητα τους ανακαλύφθηκε αργότερα από τον Onnes: ο υδράργυρος με χρυσό και ο υδράργυρος με τον κασσίτερο ήταν τα πρώτα υπεραγώγιμα κράματα που ανακάλυψε.

Όπως προαναφέρθηκε, ο επιστήμονας πραγματοποίησε την ψύξη με υγρό ήλιο. Παρεμπιπτόντως, ο Onnes έλαβε υγρό ήλιο σύμφωνα με τη δική του μέθοδο, που αναπτύχθηκε στο δικό του ειδικό εργαστήριο, που ιδρύθηκε τρία χρόνια πριν από την ανακάλυψη του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας.

Για να κατανοήσουμε λίγο τη φυσική της υπεραγωγιμότητας, η οποία εμφανίζεται σε μια κρίσιμη θερμοκρασία του δείγματος έτσι ώστε η αντίσταση πέφτει στο μηδέν, θα πρέπει να αναφερθεί μετάβαση φάσης… Η κανονική κατάσταση, όταν το μέταλλο έχει κανονική ηλεκτρική αντίσταση, είναι η κανονική φάση. Υπεραγώγιμη φάση — αυτή είναι η κατάσταση όταν το μέταλλο έχει μηδενική αντίσταση. Αυτή η μετάβαση φάσης συμβαίνει αμέσως μετά την κρίσιμη θερμοκρασία.

Γιατί συμβαίνει η μετάβαση φάσης; Στην αρχική «κανονική» κατάσταση, τα ηλεκτρόνια είναι άνετα στα άτομά τους και όταν το ρεύμα ρέει μέσα από ένα σύρμα σε αυτή την κατάσταση, η ενέργεια της πηγής δαπανάται για να αναγκάσει μερικά ηλεκτρόνια να εγκαταλείψουν τα άτομά τους και να αρχίσουν να κινούνται κατά μήκος του ηλεκτρικού πεδίου. παρόλο που συναντούν εμπόδια που τρεμοπαίζουν στο δρόμο τους.

Όταν το σύρμα ψύχεται σε θερμοκρασία κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία και ταυτόχρονα δημιουργείται ρεύμα μέσω αυτού, γίνεται πιο βολικό για τα ηλεκτρόνια (ενέργεια ευνοϊκά, ενεργειακά φθηνά) να βρίσκονται σε αυτό το ρεύμα και να επιστρέψουν στο αρχικό «κανονική» κατάσταση, θα ήταν απαραίτητο σε αυτή την περίπτωση, να πάρεις επιπλέον ενέργεια από κάπου, αλλά δεν προέρχεται από πουθενά. Επομένως, η υπεραγώγιμη κατάσταση είναι τόσο σταθερή που η ύλη δεν μπορεί να την εγκαταλείψει αν δεν ξαναθερμανθεί.

Δείτε επίσης:Το φαινόμενο Meissner και η χρήση του