Metallide ülijuhtivus, Heike Kamerling-Onnesi avastus
Esimene, kes puutus kokku ülijuhtivuse fenomeniga Heike Kamerling Onnes — Hollandi füüsik ja keemik. Nähtuse avastamise aasta oli 1911. Ja juba 1913. aastal saab teadlane oma uurimistöö eest Nobeli füüsikaauhinna.
Uurides elavhõbeda elektritakistust ülimadalatel temperatuuridel, soovis ta kindlaks teha, millisele tasemele võib aine takistus elektrivoolule langeda, kui see puhastatakse lisanditest, ning vähendada nii palju kui võimalik helistas. » termiline müra «, see tähendab, et alandada nende ainete temperatuuri. Tulemused olid ootamatud ja jahmatavad. Temperatuuridel alla 4,15 K kadus elavhõbeda takistus ootamatult täielikult!
Allpool on graafik sellest, mida Onnes täheldas.
Neil päevil teadis teadus juba vähemalt nii palju vool metallides on elektronide vool, mis on oma aatomitest eraldatud ja nagu laetud gaas, kantakse elektrivälja toimel minema.See on nagu tuul, kui õhk liigub kõrge rõhuga alalt madala rõhuga piirkonda. Alles nüüd on voolu puhul õhu asemel vabad elektronid ja juhtme otste potentsiaalide vahe on analoogne õhunäite rõhuerinevusega.
Dielektrikutes on see võimatu, kuna elektronid on oma aatomitega tihedalt seotud ja neid on väga raske oma kohalt lahti rebida. Ja kuigi metallides liiguvad voolu moodustavad elektronid suhteliselt vabalt, põrkuvad nad aeg-ajalt vibreerivate aatomite näol takistustega kokku ja tekib omamoodi hõõrdumine nn. elektritakistus.
Kuid ülimadalal temperatuuril hakkab see avalduma ülijuhtivus, hõõrdeefekt kaob millegipärast, juhi takistus langeb nulli, mis tähendab, et elektronid liiguvad täiesti vabalt, takistamatult. Aga kuidas see võimalik on?
Sellele küsimusele vastuse leidmiseks on füüsikud aastakümneid uurinud. Ja isegi tänapäeval nimetatakse tavalisi juhtmeid "tavalisteks" juhtmeteks, samas nulltakistusega juhte nimetatakse "ülijuhtideks".
Tuleb märkida, et kuigi tavalised juhid vähendavad temperatuuri langedes oma takistust, ei muutu vask isegi mitme kelvini temperatuuril ülijuhiks ning elavhõbe, plii ja alumiinium seda teevad, kuid nende takistus on vähemalt sada triljonit. korda madalam kui vasel samadel tingimustel.
Väärib märkimist, et Onnes ei esitanud põhjendamatuid väiteid, et elavhõbeda takistus muutus voolu läbimise ajal täpselt nulliks ega langenud lihtsalt nii palju, et selle mõõtmine omaaegsete instrumentidega oleks võimatu.
Ta korraldas katse, mille käigus vedelasse heeliumi sukeldatud ülijuhtivas mähises olev vool jätkas ringlemist, kuni džinn aurustus. Kompassinõel, mis järgnes pooli magnetväljale, ei kaldunud üldse kõrvale! 1950. aastal kestab sedalaadi täpsem eksperiment poolteist aastat ja vool ei vähene nii pikast ajast hoolimata kuidagi.
Esialgu on teada, et metalli elektritakistus sõltub oluliselt temperatuurist, sellise graafiku saate koostada vase jaoks.
Mida kõrgem on temperatuur, seda rohkem aatomid vibreerivad.Mida rohkem aatomid vibreerivad, seda olulisemaks takistuseks nad saavad voolu moodustavate elektronide teel. Kui metalli temperatuur langeb, väheneb selle takistus ja läheneb teatud jääktakistusele R0. Ja see jääktakistus, nagu selgus, sõltub proovi koostisest ja "täiuslikkusest".
Fakt on see, et defekte ja lisandeid leidub igas metallist valmistatud proovis. See sõltuvus huvitas Onesi eeskätt 1911. aastal, esialgu ta ülijuhtivuse poole ei püüdnud, vaid soovis saavutada ainult niisugust juhi sagedust kui võimalik, et minimeerida selle jääktakistust.
Neil aastatel oli elavhõbedat lihtsam puhastada, nii et teadlane sattus sellele juhuslikult, hoolimata sellest, et plaatina, kuld ja vask on tavatemperatuuril elavhõbedast paremad juhid, on nende puhastamine lihtsalt keerulisem.
Temperatuuri langedes tekib ülijuhtiv olek järsult teatud hetkel, kui temperatuur jõuab teatud kriitilise piirini. Seda temperatuuri nimetatakse kriitiliseks, kui temperatuur langeb veelgi madalamale, langeb takistus järsult nullini.
Mida puhtam on proov, seda teravam on langus ja kõige puhtamates proovides toimub see langus alla sajandikraadise intervalliga, kuid mida saastunum on proov, seda pikem on langus ja ulatub kümnete kraadideni. sisse märgatav kõrge temperatuuriga ülijuhid.
Proovi kriitilist temperatuuri mõõdetakse järsu languse intervalli keskel ja see on iga aine puhul individuaalne: elavhõbedal 4,15K, nioobiumil 9,2K, alumiiniumil 1,18K jne. Sulamid on omaette lugu, nende ülijuhtivuse avastas Onnes hiljem: elavhõbe kullaga ja elavhõbe tinaga olid esimesed ülijuhtivad sulamid, mille ta avastas.
Nagu eespool mainitud, viis teadlane jahutamise läbi vedela heeliumiga. Muide, Onnes sai vedela heeliumi enda meetodil, mis töötati välja oma spetsiaalses laboris, mis asutati kolm aastat enne ülijuhtivuse fenomeni avastamist.
Et natukenegi mõista ülijuhtivuse füüsikat, mis tekib proovi kriitilisel temperatuuril nii, et takistus langeb nulli, tuleb mainida faasisiire… Normaalne olek, kui metallil on normaalne elektritakistus, on normaalne faas. Ülijuhtiv faas — see on olek, mil metallil on nulltakistus. See faasiüleminek toimub kohe pärast kriitilist temperatuuri.
Miks toimub faasisiire? Algses "normaalses" olekus tunnevad elektronid mugavalt oma aatomites ja kui vool liigub selles olekus läbi juhtme, siis kulub allika energia, et sundida osa elektrone oma aatomitest lahkuma ja mööda elektrivälja liikuma. isegi kui nad kohtavad oma teedel värelevaid takistusi.
Kui traat jahutatakse kriitilisest temperatuurist madalamale temperatuurile ja samal ajal tekib selle kaudu vool, on elektronidel mugavam selles voolus olla (energia soodsam, energia odav) ja naasta algsesse voolu. "normaalne" olek, oleks vaja antud juhul kuskilt lisaenergiat saada, aga seda ei tule kuskilt. Seetõttu on ülijuhtiv olek nii stabiilne, et aine ei saa sealt lahkuda, kui seda ei soojendata.
Vaata ka:Meissneri efekt ja selle kasutamine