Metālu supravadītspēja, Heike Kamerling-Onnes atklājums

Pirmais, kurš saskārās ar supravadītspējas fenomenu Heike Kamerlinga Onnesa — holandiešu fiziķis un ķīmiķis. Parādības atklāšanas gads bija 1911. gads. Un jau 1913. gadā zinātnieks par saviem pētījumiem saņems Nobela prēmiju fizikā.

Veicot pētījumu par dzīvsudraba elektrisko pretestību īpaši zemās temperatūrās, viņš vēlējās noteikt, līdz kādam līmenim varētu samazināties vielas pretestība elektriskajai strāvai, ja tā tiktu attīrīta no piemaisījumiem, un pēc iespējas samazināt to, ko var sauca. "termiskais troksnis", tas ir, lai pazeminātu šo vielu temperatūru. Rezultāti bija negaidīti un pārsteidzoši. Temperatūrā zem 4,15 K dzīvsudraba pretestība pēkšņi pilnībā izzuda!

Tālāk ir parādīts Onnes novērotā grafiks.

Tajos laikos zinātne jau zināja vismaz tik daudz strāva metālos ir elektronu plūsma, kas ir atdalīti no atomiem un, tāpat kā lādētā gāze, tiek aiznesti ar elektriskā lauka palīdzību.Tas ir kā vējš, kad gaiss pārvietojas no augsta spiediena zonas uz zema spiediena zonu. Tikai tagad strāvas gadījumā gaisa vietā ir brīvie elektroni, un potenciālā starpība starp stieples galiem ir analoga spiediena starpībai gaisa piemērā.

Dielektriķos tas nav iespējams, jo elektroni ir cieši saistīti ar saviem atomiem un tos ir ļoti grūti atraut no vietām. Un, lai gan metālos strāvu veidojošie elektroni pārvietojas samērā brīvi, tie ik pa laikam saduras ar šķēršļiem vibrējošu atomu veidā un rodas sava veida berze, t.s. elektriskā pretestība.

Bet ļoti zemā temperatūrā tas sāk izpausties supravadītspēja, berzes efekts nez kāpēc pazūd, vadītāja pretestība nokrītas līdz nullei, kas nozīmē, ka elektroni kustas pilnīgi brīvi, netraucēti. Bet kā tas ir iespējams?

Lai atrastu atbildi uz šo jautājumu, fiziķi ir veltījuši pētniecībai gadu desmitiem. Un arī mūsdienās parastos vadus sauc par "parastajiem" vadiem, kamēr vadītājus nulles pretestības stāvoklī sauc par "supravadītājiem".

Jāatzīmē, ka, lai gan parastie vadītāji samazina savu pretestību, pazeminoties temperatūrai, varš pat vairāku kelvinu temperatūrā nekļūst par supravadītāju, bet dzīvsudrabs, svins un alumīnijs to dara, to pretestība izrādās vismaz simts triljoni. reizes zemāka nekā vara tādos pašos apstākļos.

Ir vērts atzīmēt, ka Onnes neizteica nepamatotus apgalvojumus, ka dzīvsudraba pretestība strāvas pārejas laikā kļuva tieši par nulli, un tā vienkārši nesamazinājās tik daudz, ka kļuva neiespējami to izmērīt ar tā laika instrumentiem.

Viņš izveidoja eksperimentu, kurā strāva supravadītājā spolē, kas iegremdēta šķidrā hēlijā, turpināja cirkulēt, līdz džins iztvaikoja. Kompasa adata, kas sekoja spoles magnētiskajam laukam, nemaz nenovirzījās! 1950. gadā precīzāks šāda veida eksperiments ilgs pusotru gadu, un strāva nekādā veidā nesamazināsies, neskatoties uz tik ilgu laika periodu.

Sākotnēji ir zināms, ka metāla elektriskā pretestība ir būtiski atkarīga no temperatūras, jūs varat izveidot šādu grafiku vara.

Jo augstāka temperatūra, jo vairāk atomi vibrē.Jo vairāk atomi vibrē, jo nozīmīgāks šķērslis tie kļūst strāvu veidojošo elektronu ceļā. Ja metāla temperatūra pazeminās, tā pretestība samazināsies un tuvosies noteiktai atlikušajai pretestībai R0. Un šī atlikušā pretestība, kā izrādījās, ir atkarīga no parauga sastāva un "pilnības".

Fakts ir tāds, ka defekti un piemaisījumi ir atrodami jebkurā paraugā, kas izgatavots no metāla. Šī atkarība cilvēkus interesēja galvenokārt 1911. gadā, sākotnēji viņš netiecās uz supravadītspēju, bet tikai gribēja sasniegt tādu vadītāja frekvenci, cik iespējams, lai samazinātu tā atlikušo pretestību.

Tajos gados dzīvsudrabu bija vieglāk attīrīt, tāpēc pētnieks ar to saskārās nejauši, neskatoties uz to, ka platīns, zelts un varš ir labāki vadītāji nekā dzīvsudrabs parastā temperatūrā, tikai tos attīrīt ir grūtāk.

Temperatūrai pazeminoties, supravadīšanas stāvoklis pēkšņi iestājas noteiktā brīdī, kad temperatūra sasniedz noteiktu kritisko līmeni. Šo temperatūru sauc par kritisko, kad temperatūra pazeminās vēl zemāk, pretestība strauji samazinās līdz nullei.

Jo tīrāks paraugs, jo straujāks kritums, un tīrākajos paraugos šis kritums notiek ar intervālu, kas mazāks par grāda simtdaļu, bet jo piesārņotāks paraugs, jo ilgāks kritums un sasniedz vairākus desmitus grādu, tas ir īpaši pamanāms iekšā augstas temperatūras supravadītāji.

Parauga kritiskā temperatūra tiek mērīta krasā krituma intervāla vidū un katrai vielai ir individuāla: dzīvsudrabam 4,15K, niobijam 9,2K, alumīnijam 1,18K utt. Par sakausējumiem ir atsevišķs stāsts, to supravadītspēju vēlāk atklāja Onns: dzīvsudrabs ar zeltu un dzīvsudrabs ar alvu bija pirmie viņa atklātie supravadošie sakausējumi.

Kā minēts iepriekš, zinātnieks veica dzesēšanu ar šķidru hēliju. Starp citu, Onnes šķidro hēliju ieguva pēc savas metodes, kas izstrādāta savā īpašajā laboratorijā, kas dibināta trīs gadus pirms supravadītspējas fenomena atklāšanas.

Lai nedaudz saprastu supravadītspējas fiziku, kas notiek pie parauga kritiskās temperatūras tā, ka pretestība nokrītas līdz nullei, jāpiemin fāzes pāreja… Normāls stāvoklis, kad metālam ir normāla elektriskā pretestība, ir normālā fāze. Supravadīšanas fāze — tas ir stāvoklis, kad metālam ir nulles pretestība. Šī fāzes pāreja notiek tūlīt pēc kritiskās temperatūras.

Kāpēc notiek fāzes pāreja? Sākotnējā "normālā" stāvoklī elektroni jūtas ērti savos atomos, un, kad strāva plūst pa vadu šajā stāvoklī, avota enerģija tiek iztērēta, lai daži elektroni pamestu savus atomus un sāktu kustēties pa elektrisko lauku, kaut arī savā ceļā sastopas ar mirgojošiem šķēršļiem.

Kad vads tiek atdzesēts līdz temperatūrai, kas zemāka par kritisko temperatūru un tajā pašā laikā caur to tiek izveidota strāva, elektroniem kļūst ērtāk (enerģijai labvēlīgi, lēti) atrasties šajā strāvā un atgriezties sākotnējā stāvoklī. "normāls" stāvoklis, tas šajā gadījumā būtu vajadzīgs, lai kaut kur dabūtu papildus enerģiju, bet ne no kurienes tā nenāk. Tāpēc supravadīšanas stāvoklis ir tik stabils, ka viela nevar to atstāt, ja tā netiek atkārtoti uzkarsēta.

Skatīt arī:Meisnera efekts un tā izmantošana