Supraleitung von Metallen, die Entdeckung von Heike Kamerling-Onnes
Der erste, der auf das Phänomen der Supraleitung stieß Heike Kamerling Onnes — Niederländischer Physiker und Chemiker. Das Jahr der Entdeckung des Phänomens war 1911. Und bereits 1913 erhält der Wissenschaftler für seine Forschung den Nobelpreis für Physik.
Er führte eine Untersuchung des elektrischen Widerstands von Quecksilber bei extrem niedrigen Temperaturen durch und wollte herausfinden, bis zu welchem Grad der Widerstand eines Stoffes gegenüber elektrischem Strom sinken könnte, wenn er von Verunreinigungen gereinigt würde, und den möglichen Wert so weit wie möglich reduzieren genannt. » thermisches Rauschen «, das heißt, die Temperatur dieser Stoffe zu senken. Die Ergebnisse waren unerwartet und erstaunlich. Bei Temperaturen unter 4,15 K verschwand die Beständigkeit von Quecksilber plötzlich vollständig!
Unten finden Sie eine Grafik dessen, was Onnes beobachtet hat.
Zumindest das wusste die Wissenschaft damals schon Strom in Metallen ist der Elektronenfluss, die von ihren Atomen getrennt werden und wie das geladene Gas vom elektrischen Feld weggetragen werden.Es ist wie beim Wind, wenn sich Luft von einem Hochdruckgebiet in ein Tiefdruckgebiet bewegt. Nur gibt es jetzt bei Strom anstelle von Luft freie Elektronen, und die Potentialdifferenz zwischen den Enden des Drahtes ist analog zur Druckdifferenz beim Beispiel Luft.
In Dielektrika ist dies nicht möglich, da die Elektronen fest an ihre Atome gebunden sind und es sehr schwierig ist, sie von ihrem Platz zu lösen. Und obwohl sich in Metallen die den Strom bildenden Elektronen relativ frei bewegen, kollidieren sie gelegentlich mit Hindernissen in Form vibrierender Atome und es entsteht eine Art Reibung namens elektrischer Wiederstand.
Aber bei extrem niedrigen Temperaturen beginnt es sich zu manifestieren Supraleitung, der Reibungseffekt verschwindet aus irgendeinem Grund, der Widerstand des Leiters sinkt auf Null, was bedeutet, dass sich die Elektronen völlig frei und ungehindert bewegen. Aber wie ist das möglich?
Um die Antwort auf diese Frage zu finden, haben Physiker jahrzehntelang geforscht. Und auch heute noch werden gewöhnliche Drähte als „normale“ Drähte bezeichnet Leiter im Zustand Nullwiderstand werden „Supraleiter“ genannt.
Es ist zu beachten, dass gewöhnliche Leiter zwar ihren Widerstand mit abnehmender Temperatur verringern, Kupfer jedoch selbst bei einer Temperatur von mehreren Kelvin nicht zum Supraleiter wird, während Quecksilber, Blei und Aluminium dies tun, ihr Widerstand beträgt jedoch mindestens hundert Billionen unter den gleichen Bedingungen um ein Vielfaches niedriger als die von Kupfer.
Es ist erwähnenswert, dass Onnes keine unbegründeten Behauptungen aufstellte, dass der Widerstand von Quecksilber während des Stromdurchgangs genau Null wurde und nicht einfach so stark abfiel, dass es unmöglich wurde, ihn mit Instrumenten der damaligen Zeit zu messen.
Er baute ein Experiment auf, bei dem der Strom in einer supraleitenden Spule, die in flüssiges Helium getaucht war, so lange weiter zirkulierte, bis der Geist verdampfte. Die Kompassnadel, die dem Magnetfeld der Spule folgte, weicht überhaupt nicht ab! Im Jahr 1950 wird ein genaueres Experiment dieser Art anderthalb Jahre dauern, und der Strom wird trotz dieser langen Zeitspanne in keiner Weise abnehmen.
Zunächst ist bekannt, dass der elektrische Widerstand eines Metalls maßgeblich von der Temperatur abhängt. Für Kupfer kann man ein solches Diagramm erstellen.
Je höher die Temperatur, desto stärker schwingen die Atome. Je stärker die Atome schwingen, desto bedeutender werden sie zu einem Hindernis auf dem Weg der Elektronen, die den Strom bilden. Wenn die Temperatur des Metalls sinkt, verringert sich sein Widerstand und nähert sich einem bestimmten Restwiderstand R0. Und dieser Restwiderstand hängt, wie sich herausstellte, von der Zusammensetzung und „Perfektion“ der Probe ab.
Tatsache ist, dass in jeder Probe aus Metall Mängel und Verunreinigungen vorkommen. Diese Abhängigkeit interessierte Ones vor allem im Jahr 1911, zunächst strebte er nicht die Supraleitung an, sondern wollte lediglich eine solche Frequenz des Leiters erreichen, dass sein Restwiderstand möglichst gering blieb.
Damals war Quecksilber leichter zu reinigen, und so stieß der Forscher zufällig darauf. Obwohl Platin, Gold und Kupfer bei normalen Temperaturen bessere Leiter als Quecksilber sind, ist es nur schwieriger zu reinigen.
Wenn die Temperatur sinkt, tritt der supraleitende Zustand abrupt in einem bestimmten Moment ein, wenn die Temperatur ein bestimmtes kritisches Niveau erreicht. Diese Temperatur wird als kritisch bezeichnet. Wenn die Temperatur noch tiefer sinkt, sinkt der Widerstand stark auf Null.
Je reiner die Probe, desto schärfer der Abfall, und bei den reinsten Proben tritt dieser Abfall in einem Intervall von weniger als einem Hundertstel Grad auf, aber je stärker die Probe verunreinigt ist, desto länger dauert der Abfall und erreicht insbesondere mehrere zehn Grad spürbar in Hochtemperatur-Supraleiter.
Die kritische Temperatur der Probe wird in der Mitte des scharfen Abfallintervalls gemessen und ist für jeden Stoff individuell: für Quecksilber 4,15 K, für Niob 9,2 K, für Aluminium 1,18 K usw. Legierungen sind eine andere Geschichte, ihre Supraleitung wurde später von Onnes entdeckt: Quecksilber mit Gold und Quecksilber mit Zinn waren die ersten supraleitenden Legierungen, die er entdeckte.
Wie oben erwähnt, führte der Wissenschaftler die Kühlung mit flüssigem Helium durch. Übrigens gewann Onnes flüssiges Helium nach seiner eigenen Methode, die in seinem eigenen Speziallabor entwickelt wurde, das drei Jahre vor der Entdeckung des Phänomens der Supraleitung gegründet wurde.
Um ein wenig über die Physik der Supraleitung zu verstehen, die bei einer kritischen Temperatur der Probe auftritt, sodass der Widerstand auf Null sinkt, sollte sie erwähnt werden Phasenübergang… Der Normalzustand, wenn das Metall einen normalen elektrischen Widerstand hat, ist die Normalphase. Supraleitende Phase — Dies ist der Zustand, in dem das Metall keinen Widerstand mehr hat. Dieser Phasenübergang erfolgt unmittelbar nach der kritischen Temperatur.
Warum kommt es zum Phasenübergang? Im anfänglichen „normalen“ Zustand fühlen sich die Elektronen in ihren Atomen wohl, und wenn in diesem Zustand Strom durch einen Draht fließt, wird die Energie der Quelle aufgewendet, um einige Elektronen zu zwingen, ihre Atome zu verlassen und sich entlang des elektrischen Feldes zu bewegen. auch wenn sie auf ihrem Weg auf flackernde Hindernisse stoßen.
Wenn der Draht auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur abgekühlt wird und gleichzeitig ein Strom durch ihn fließt, ist es für die Elektronen (Energie günstig, Energie billig) bequemer, sich in diesem Strom zu befinden und in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren Im „normalen“ Zustand wäre es in diesem Fall notwendig, zusätzliche Energie von irgendwoher zu holen, aber sie kommt nirgendwoher. Daher ist der supraleitende Zustand so stabil, dass Materie ihn nur dann verlassen kann, wenn sie erneut erhitzt wird.
Siehe auch:Meissner-Effekt und seine Verwendung