Свръхпроводимост на металите, откритието на Хайке Камерлинг-Оннес

Първият, който се натъкна на явлението свръхпроводимост Хайке Камерлинг Оннес — холандски физик и химик. Годината на откриване на явлението е 1911 година. И вече през 1913 г. ученият ще получи Нобелова награда за физика за своите изследвания.

Провеждайки изследване на електрическото съпротивление на живака при свръхниски температури, той искаше да определи до какво ниво може да спадне съпротивлението на дадено вещество срещу електрически ток, ако то се почисти от примеси, и максимално да намали това, което може да се нарече. » термичен шум «, тоест за понижаване на температурата на тези вещества. Резултатите бяха неочаквани и поразителни. При температури под 4,15 К съпротивлението на живака изведнъж изчезна напълно!

По -долу е дадена графика на наблюдаваното от Onnes.

В онези дни науката вече знаеше поне това токът в металите е потокът от електрони, които са отделени от своите атоми и подобно на заредения газ се отнасят от електрическото поле. Това е като вятъра, когато въздухът се движи от зона с високо налягане към зона с ниско налягане. Едва сега, в случай на ток, вместо въздух, има свободни електрони, а потенциалната разлика между краищата на проводника е аналог на разликата в налягането за примера с въздуха.

В диелектриците това е невъзможно, тъй като електроните са плътно свързани с техните атоми и е много трудно да ги откъснете от местата си. И въпреки че в металите електроните, образуващи тока, се движат относително свободно, те от време на време се сблъскват с препятствия под формата на вибриращи атоми и възниква един вид триене, наречено електрическо съпротивление.

Но когато при свръхниска температура тя започва да се проявява свръхпроводимост, ефектът на триене изчезва по някаква причина, съпротивлението на проводника пада до нула, което означава, че електроните се движат напълно свободно, безпрепятствено. Но как е възможно това?

За да намерят отговора на този въпрос, физиците са прекарали десетилетия в изследване. И дори днес обикновените проводници се наричат ​​»нормални» проводници, докато проводници в състояние на нулево съпротивление се наричат ​​»свръхпроводници».

Трябва да се отбележи, че въпреки че обикновените проводници намаляват съпротивлението си с понижаване на температурата, медта, дори при температура от няколко келвина не се превръща в свръхпроводник, а живакът, оловото и алуминият се превръщат, тяхното съпротивление се оказва най -малко сто трилиони пъти по -ниска от тази на медта при същите условия.

Заслужава да се отбележи, че Onnes не направи неоснователни твърдения, че съпротивлението на живака по време на преминаването на тока стана точно нула, а не просто спадна толкова много, че стана невъзможно да се измери с инструменти от онова време.

Той създава експеримент, при който токът в свръхпроводникова намотка, потопен в течен хелий, продължава да циркулира през цялото време, докато геният се изпари. Иглата на компаса, която следваше магнитното поле на бобината, изобщо не се отклони! През 1950 г. по -точен експеримент от този вид ще продължи година и половина, а течението също няма да намалее по никакъв начин, въпреки толкова дълъг период от провеждането му.

Първоначално е известно, че електрическото съпротивление на метал зависи значително от температурата, можете да изградите такава графика за мед.

Колкото по -висока е температурата, толкова повече атомите вибрират.Колкото повече атомите вибрират, толкова по -значителна пречка те стават по пътя на електроните, образуващи тока. Ако температурата на метала се понижи, тогава неговото съпротивление ще намалее и ще се доближи до определено остатъчно съпротивление R0. И тази остатъчна устойчивост, както се оказа, зависи от състава и «съвършенството» на пробата.

Факт е, че дефекти и примеси се откриват във всяка проба, изработена от метал. Тази зависимост интересува Онес най -вече през 1911 г., първоначално той не се стреми към свръхпроводимост, а само иска да постигне такава честота на проводника, колкото е възможно, за да сведе до минимум остатъчното му съпротивление.

През тези години живакът беше по -лесен за пречистване, така че изследователят попадна на него случайно, въпреки факта, че платината, златото и медта са по -добри проводници от живака при обикновени температури, просто е по -трудно да ги пречистите.

С понижаване на температурата свръхпроводящото състояние настъпва рязко в определен момент, когато температурата достигне определено критично ниво. Тази температура се нарича критична, когато температурата спадне още по -ниско, съпротивлението пада рязко до нула.

Колкото по -чиста е пробата, толкова по -рязко е падането и в най -чистите проби това падане се случва в интервал по -малък от стотна част от градуса, но колкото по -замърсена е пробата, толкова по -продължителен е спадът и достига десетки градуса, това е особено забележим в свръхпроводници с висока температура.

Критичната температура на пробата се измерва в средата на интервала на рязък спад и е индивидуална за всяко вещество: за живак 4.15K, за ниобий, 9.2K, за алуминий, 1.18K и т.н. Сплавите са отделни история, тяхната свръхпроводимост е открита по -късно и от Onnes: живакът със злато и живакът с калай са първите свръхпроводящи сплави, които е открил.

Както бе споменато по -горе, ученият е извършил охлаждането с втечнен хелий. Между другото, Оннес получава течен хелий по свой собствен метод, разработен в собствена специална лаборатория, основана три години преди откриването на явлението свръхпроводимост.

За да се разбере малко физиката на свръхпроводимостта, която се проявява при критична температура на пробата, така че съпротивлението пада до нула, трябва да се спомене фазов преход… Нормалното състояние, когато металът има нормално електрическо съпротивление, е нормалната фаза. Свръхпроводяща фаза — това е състоянието, когато металът има нулево съпротивление. Този фазов преход се случва непосредствено след критичната температура.

Защо възниква фазовият преход? В първоначалното «нормално» състояние електроните са удобни в своите атоми и когато токът преминава през проводник в това състояние, енергията на източника се изразходва, за да принуди някои електрони да напуснат атомите си и да започнат да се движат по електрическото поле , макар и да се сблъскват с трептящи препятствия по пътищата си.

Когато проводникът се охлади до температура под критичната и едновременно с това се установи ток през него, става по -удобно електроните (енергийно благоприятни, енергийно евтини) да бъдат в този ток и за да се върнат към първоначално «нормално» състояние, би било необходимо в този случай да се получи допълнителна енергия от някъде, но тя не идва от никъде. Следователно свръхпроводящото състояние е толкова стабилно и материята не може да го напусне, ако не бъде повторно нагрята.

Вижте също:Ефект на Майснер и неговото използване