Superconductivitat dels metalls, el descobriment de Heike Kamerling-Onnes

El primer a trobar-se amb el fenomen de la superconductivitat Heike Kamerling Onnes — Físic i químic holandès. L'any del descobriment del fenomen va ser el 1911. I ja l'any 1913, el científic rebrà el Premi Nobel de Física per les seves investigacions.

Realitzant un estudi de la resistència elèctrica del mercuri a temperatures molt baixes, va voler determinar fins a quin nivell podria baixar la resistència d'una substància a un corrent elèctric si es netejava d'impureses, i reduir al màxim el que es pot va trucar. » soroll tèrmic «, és a dir, baixar la temperatura d'aquestes substàncies. Els resultats van ser inesperats i sorprenents. A temperatures inferiors a 4,15 K, la resistència del mercuri va desaparèixer completament de sobte!

A continuació es mostra un gràfic del que va observar Onnes.

En aquells temps, la ciència ja en sabia almenys això El corrent en els metalls és el flux d'electrons, que es separen dels seus àtoms i, com el gas carregat, són enduts pel camp elèctric.És com el vent quan l'aire es mou d'una zona d'alta pressió a una zona de baixa pressió. Només ara, en el cas del corrent, en lloc de l'aire, hi ha electrons lliures, i la diferència de potencial entre els extrems del cable és anàloga a la diferència de pressió per a l'exemple de l'aire.

En els dielèctrics, això és impossible, perquè els electrons estan estretament lligats als seus àtoms i és molt difícil arrencar-los dels seus llocs. I encara que en els metalls els electrons que formen el corrent es mouen amb relativa llibertat, de tant en tant xoquen amb obstacles en forma d'àtoms vibrants i es produeix una mena de fricció anomenada resistència elèctrica.

Però quan a temperatura ultra baixa comença a manifestar-se superconductivitat, l'efecte de fricció desapareix per algun motiu, la resistència del conductor cau a zero, el que significa que els electrons es mouen completament lliurement, sense obstacles. Però com és possible això?

Per trobar la resposta a aquesta pregunta, els físics han passat dècades investigant. I encara avui, els cables normals s'anomenen cables "normals", mentre que els conductors en estat de resistència zero s'anomenen "superconductors".

Cal tenir en compte que, tot i que els conductors ordinaris disminueixen la seva resistència amb la disminució de la temperatura, el coure, fins i tot a una temperatura de diversos kelvins, no es converteix en superconductor, i el mercuri, el plom i l'alumini sí, la seva resistència resulta ser d'almenys cent bilions. vegades inferior a la del coure en les mateixes condicions.

Val la pena assenyalar que Onnes no va fer afirmacions infundades que la resistència del mercuri durant el pas del corrent es va convertir exactament en zero, i no va baixar tant que es va fer impossible mesurar-la amb instruments de l'època.

Va establir un experiment en què el corrent d'una bobina superconductora immersa en heli líquid va continuar circulant fins que el geni es va evaporar. L'agulla de la brúixola, que seguia el camp magnètic de la bobina, no es va desviar gens! L'any 1950, un experiment més acurat d'aquest tipus durarà un any i mig, i el corrent no disminuirà de cap manera, malgrat un període de temps tan llarg.

Inicialment, se sap que la resistència elèctrica d'un metall depèn significativament de la temperatura, podeu construir un gràfic d'aquest tipus per al coure.

Com més alta és la temperatura, més vibren els àtoms.Com més vibren els àtoms, més important es converteixen en un obstacle en el camí dels electrons que formen el corrent. Si la temperatura del metall disminueix, la seva resistència disminuirà i s'acostarà a una certa resistència residual R0. I aquesta resistència residual, segons va resultar, depèn de la composició i la "perfecció" de la mostra.

El cas és que els defectes i les impureses es troben en qualsevol mostra feta de metall. Aquesta dependència va interessar a Ones sobretot l'any 1911, inicialment no es va esforçar per la superconductivitat, sinó que només va voler aconseguir la freqüència del conductor el més possible per minimitzar la seva resistència residual.

En aquells anys, el mercuri era més fàcil de purificar, de manera que l'investigador es va trobar per casualitat, malgrat que el platí, l'or i el coure són millors conductors que el mercuri a temperatures normals, és més difícil purificar-los.

A mesura que la temperatura disminueix, l'estat superconductor es produeix bruscament en un moment determinat quan la temperatura arriba a un cert nivell crític. Aquesta temperatura s'anomena crítica, quan la temperatura baixa encara més, la resistència cau bruscament a zero.

Com més pura és la mostra, més nítida és la gota, i en les mostres més pures aquesta caiguda es produeix en un interval de menys d'una centèsima de grau, però com més contaminada és la mostra, més llarga és la gota i arriba a desenes de graus, això és especialment notable en superconductors d'alta temperatura.

La temperatura crítica de la mostra es mesura al mig de l'interval de gota aguda i és individual per a cada substància: per a mercuri 4,15 K, per niobi, 9,2 K, per alumini, 1,18 K, etc. Els aliatges són una història a part, la seva superconductivitat va ser descoberta més tard per Onnes: el mercuri amb or i el mercuri amb estany van ser els primers aliatges superconductors que va descobrir.

Com s'ha esmentat anteriorment, el científic va realitzar el refredament amb heli líquid. Per cert, Onnes va obtenir heli líquid segons el seu propi mètode, desenvolupat al seu propi laboratori especial, fundat tres anys abans del descobriment del fenomen de la superconductivitat.

Per entendre una mica sobre la física de la superconductivitat, que es produeix a una temperatura crítica de la mostra de manera que la resistència cau a zero, cal esmentar transició de fase… L'estat normal, quan el metall té una resistència elèctrica normal, és la fase normal. Fase superconductora - aquest és l'estat en què el metall té resistència zero. Aquesta transició de fase es produeix immediatament després de la temperatura crítica.

Per què es produeix la transició de fase? En l'estat "normal" inicial, els electrons es troben còmodes en els seus àtoms, i quan el corrent flueix per un cable en aquest estat, l'energia de la font es gasta per forçar alguns electrons a abandonar els seus àtoms i començar a moure's al llarg del camp elèctric, tot i que trobin obstacles parpellejants al seu camí.

Quan el cable es refreda a una temperatura inferior a la temperatura crítica i al mateix temps s'estableix un corrent a través d'ell, és més convenient que els electrons (energia favorable, energia barata) estiguin en aquest corrent i tornin a l'original. estat "normal", seria necessari en aquest cas, treure energia extra d'algun lloc, però no ve de cap lloc. Per tant, l'estat superconductor és tan estable que la matèria no pot sortir-ne tret que es reescalfi.

Vegeu també:Efecte Meissner i el seu ús