Supravodivosť kovov, objav Heike Kamerling-Onnes

Prvý, kto narazil na fenomén supravodivosti Heike Kamerling Onnes — holandský fyzik a chemik. Rok objavenia tohto javu bol 1911. A už v roku 1913 dostane vedec za svoj výskum Nobelovu cenu za fyziku.

Pri štúdiu elektrického odporu ortuti pri ultranízkych teplotách chcel určiť, na akú úroveň by mohol klesnúť odpor látky voči elektrickému prúdu, ak by bola očistená od nečistôt, a čo najviac znížiť to, čo je možné. volal. » tepelný šum «, teda na zníženie teploty týchto látok. Výsledky boli neočakávané a ohromujúce. Pri teplotách pod 4,15 K odpor ortuti zrazu úplne zmizol!

Nižšie je uvedený graf toho, čo Onnes pozoroval.

V tých časoch už veda vedela aspoň toľko prúd v kovoch je tok elektrónov, ktoré sú oddelené od svojich atómov a ako nabitý plyn sú unášané elektrickým poľom.Je to ako vietor, keď sa vzduch pohybuje z oblasti s vysokým tlakom do oblasti s nízkym tlakom. Až teraz sú v prípade prúdu namiesto vzduchu voľné elektróny a potenciálny rozdiel medzi koncami drôtu je analogický tlakovému rozdielu v príklade vzduchu.

V dielektrikách je to nemožné, pretože elektróny sú pevne viazané na ich atómy a je veľmi ťažké ich vytrhnúť z ich miest. A hoci sa v kovoch elektróny tvoriace prúd pohybujú relatívne voľne, občas narážajú na prekážky v podobe kmitajúcich atómov a dochádza k akejsi treniu tzv. elektrický odpor.

Ale keď pri ultra nízkej teplote sa to začne prejavovať supravodivosť, efekt trenia z nejakého dôvodu zmizne, odpor vodiča klesne na nulu, čo znamená, že elektróny sa pohybujú úplne voľne, bez prekážok. Ale ako je to možné?

Aby našli odpoveď na túto otázku, fyzici strávili desaťročia výskumom. A aj dnes sa obyčajné drôty nazývajú "normálne" drôty, zatiaľ čo vodiče v stave nulového odporu sa nazývajú "supravodiče".

Treba poznamenať, že hoci bežné vodiče s klesajúcou teplotou znižujú svoj odpor, meď sa ani pri teplote niekoľkých kelvinov nestane supravodičom a ortuť, olovo a hliník áno, ich odpor je najmenej sto biliónov krát nižšia ako meď za rovnakých podmienok.

Stojí za zmienku, že Onnes nepredložil nepodložené tvrdenia, že odpor ortuti počas prechodu prúdu sa stal presne nulovým a jednoducho neklesol natoľko, že by bolo nemožné ho zmerať vtedajšími prístrojmi.

Pripravil experiment, v ktorom prúd v supravodivej cievke ponorenej do tekutého hélia pokračoval v cirkulácii, až kým sa džin neodparil. Ručička kompasu, ktorá sledovala magnetické pole cievky, sa vôbec nevychýlila! V roku 1950 bude presnejší experiment tohto druhu trvať rok a pol a prúd sa napriek takému dlhému obdobiu nijako nezníži.

Spočiatku je známe, že elektrický odpor kovu výrazne závisí od teploty, môžete vytvoriť taký graf pre meď.

Čím vyššia je teplota, tým viac atómy vibrujú.Čím viac atómy vibrujú, tým výraznejšou prekážkou sa stávajú v dráhe elektrónov tvoriacich prúd. Ak sa teplota kovu zníži, potom sa jeho odpor zníži a priblíži sa k určitému zvyškovému odporu R0. A tento zvyškový odpor, ako sa ukázalo, závisí od zloženia a „dokonalosti“ vzorky.

Faktom je, že chyby a nečistoty sa nachádzajú v akejkoľvek vzorke vyrobenej z kovu. Táto závislosť zaujala Onesa predovšetkým v roku 1911, spočiatku sa nesnažil o supravodivosť, ale chcel len dosiahnuť takú frekvenciu vodiča, aby sa minimalizoval jeho zvyškový odpor.

V tých rokoch sa ortuť ľahšie čistila, a tak na ňu výskumník narazil náhodou, napriek tomu, že platina, zlato a meď sú pri bežných teplotách lepšími vodičmi ako ortuť, len je ťažšie ich čistiť.

Keď teplota klesá, supravodivý stav nastáva náhle v určitom okamihu, keď teplota dosiahne určitú kritickú úroveň. Táto teplota sa nazýva kritická, keď teplota klesne ešte nižšie, odpor prudko klesne na nulu.

Čím je vzorka čistejšia, tým je kvapka ostrejšia a v najčistejších vzorkách sa tento pokles vyskytuje v intervale menšom ako stotina stupňa, ale čím je vzorka znečistenejšia, tým je kvapka dlhšia a dosahuje desiatky stupňov, to platí najmä zreteľný v vysokoteplotné supravodiče.

Kritická teplota vzorky sa meria v strede intervalu prudkého poklesu a je individuálna pre každú látku: pre ortuť 4,15 K, pre niób 9,2 K, pre hliník 1,18 K atď. Zliatiny sú samostatný príbeh, ich supravodivosť objavil neskôr Onnes: ortuť so zlatom a ortuť s cínom boli prvé supravodivé zliatiny, ktoré objavil.

Ako už bolo spomenuté vyššie, vedec vykonal chladenie tekutým héliom. Mimochodom, Onnes získal tekuté hélium podľa vlastnej metódy, vyvinutej vo vlastnom špeciálnom laboratóriu, založenom tri roky pred objavom fenoménu supravodivosti.

Aby sme trochu pochopili fyziku supravodivosti, ku ktorej dochádza pri kritickej teplote vzorky tak, že odpor klesne na nulu, treba spomenúť fázový prechod… Normálny stav, keď má kov normálny elektrický odpor, je normálna fáza. Supravodivá fáza — toto je stav, keď má kov nulový odpor. Tento fázový prechod nastáva bezprostredne po kritickej teplote.

Prečo dochádza k fázovému prechodu? V počiatočnom "normálnom" stave sú elektróny vo svojich atómoch pohodlné a keď prúd preteká drôtom v tomto stave, energia zdroja sa vynaloží na to, aby prinútila niektoré elektróny opustiť svoje atómy a začať sa pohybovať pozdĺž elektrického poľa, aj keď na svojich cestách narážajú na blikajúce prekážky.

Keď sa drôt ochladí na teplotu pod kritickou teplotou a súčasne sa ním vytvorí prúd, je pre elektróny (energeticky priaznivé, energeticky lacné) pohodlnejšie byť v tomto prúde a vrátiť sa do pôvodného stavu. „normálny“ stav, v tomto prípade by bolo potrebné odniekiaľ získať energiu navyše, ktorá však odnikiaľ neprichádza. Preto je supravodivý stav taký stabilný, že hmota ho nemôže opustiť, pokiaľ nie je znovu zahriata.

Pozri tiež:Meissnerov efekt a jeho využitie