금속의 초전도성, Heike Kamerling-Onnes의 발견

초전도 현상을 최초로 접한 사람 하이케 카메를링 온네스 — 네덜란드의 물리학자이자 화학자. 이 현상이 발견된 해는 1911년이다. 그리고 이미 1913년에 과학자는 그의 연구로 노벨 물리학상을 받게 될 것입니다.

초저온에서 수은의 전기 저항에 대한 연구를 수행하면서 그는 불순물을 제거하면 전류에 대한 물질의 저항이 어느 수준까지 떨어질 수 있는지 확인하고 가능한 한 많이 감소시키기를 원했습니다. 라고 불리는. » 열 잡음 «, 즉 이러한 물질의 온도를 낮추는 것입니다. 결과는 의외였고 놀라웠다. 4.15K 이하의 온도에서 수은의 저항이 갑자기 완전히 사라졌습니다!

아래는 Onnes가 관찰한 그래프입니다.

그 당시 과학은 이미 최소한 그 정도는 알고 있었습니다. 금속의 전류는 전자의 흐름, 원자에서 분리되고 하전 된 가스처럼 전기장에 의해 운반됩니다.공기가 고기압 지역에서 저기압 지역으로 이동할 때의 바람과 같습니다. 지금은 전류의 경우 공기 대신 자유전자가 존재하고 전선 끝의 전위차는 공기의 예에 대한 압력차와 유사하다.

유전체에서는 전자가 원자에 단단히 결합되어 있고 제자리에서 떼어내는 것이 매우 어렵기 때문에 불가능합니다. 그리고 금속에서 전류를 형성하는 전자는 상대적으로 자유롭게 움직이지만 때때로 진동하는 원자 형태의 장애물과 충돌하여 일종의 마찰이 발생합니다. 전기 저항.

그러나 초저온에서 나타나기 시작하면 초전도성, 어떤 이유로 마찰 효과가 사라지고 도체의 저항이 0으로 떨어집니다. 즉, 전자가 방해받지 않고 완전히 자유롭게 움직입니다. 그러나 이것이 어떻게 가능합니까?

이 질문에 대한 답을 찾기 위해 물리학자들은 수십 년 동안 연구했습니다. 그리고 오늘날에도 일반 전선은 "정상" 전선이라고 합니다. 저항이 0인 상태의 도체를 "초전도체"라고 합니다..

일반 도체는 온도가 낮아짐에 따라 저항이 감소하지만 구리는 수 켈빈의 온도에서도 초전도체가 되지 않으며 수은, 납 및 알루미늄은 초전도체가 되지만 저항은 최소 100조 동일한 조건에서 구리보다 몇 배 더 낮습니다.

Onnes는 전류가 흐르는 동안 수은의 저항이 정확히 0이되었다는 근거없는 주장을하지 않았으며 단순히 너무 많이 떨어지지 않아 당시의 도구로 측정하는 것이 불가능 해졌다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

그는 액체 헬륨에 잠긴 초전도 코일의 전류가 지니가 증발할 때까지 계속해서 순환하는 실험을 시작했습니다. 코일의 자기장을 따라가는 나침반 바늘은 전혀 벗어나지 않았습니다! 1950년에 이런 종류의 보다 정확한 실험은 1년 반 동안 지속되며 오랜 기간에도 불구하고 전류는 어떤 식으로든 감소하지 않을 것입니다.

처음에는 금속의 전기 저항이 온도에 크게 의존하는 것으로 알려져 있으므로 구리에 대한 그래프를 작성할 수 있습니다.

온도가 높을수록 원자가 더 많이 진동하고 원자가 더 많이 진동할수록 전류를 형성하는 전자의 경로에 더 큰 장애물이 됩니다. 금속의 온도가 감소하면 저항이 감소하고 특정 잔류 저항 R0에 접근합니다. 그리고 이 잔류 저항은 샘플의 구성과 "완벽성"에 따라 달라집니다.

사실 금속으로 만들어진 모든 샘플에서 결함과 불순물이 발견됩니다. 이 의존성은 무엇보다도 1911 년에 Ones에 관심이 있었으며 처음에는 초전도성을 위해 노력하지 않았지만 가능한 한 도체의 잔류 저항을 최소화하기 위해 그러한 주파수를 달성하기를 원했습니다.

그 당시 수은은 정화하기가 더 쉬웠으므로 연구원은 백금, 금 및 구리가 상온에서 수은보다 더 나은 전도체라는 사실에도 불구하고 우연히 그것을 발견했습니다.

온도가 낮아지면 온도가 특정 임계 수준에 도달하는 특정 순간에 초전도 상태가 갑자기 발생합니다. 이 온도를 임계 온도라고 하며 온도가 더 낮아지면 저항이 급격히 0으로 떨어집니다.

샘플이 순수할수록 방울이 더 날카로워지고, 가장 순수한 샘플에서 이 방울은 100분의 1도 미만의 간격으로 발생하지만 샘플이 오염될수록 방울이 길어지고 수십도에 도달합니다. 눈에 띄는 고온 초전도체.

샘플의 임계 온도는 날카로운 낙하 간격의 중간에서 측정되며 각 물질에 대해 개별적입니다: 수은 4.15K, 니오븀, 9.2K, 알루미늄, 1.18K 등. 합금은 별도의 이야기이며 초전도성은 나중에 Onnes에 의해 발견되었습니다. 금과 수은 및 주석과 수은은 그가 발견한 최초의 초전도 합금이었습니다.

위에서 언급했듯이 과학자는 액체 헬륨으로 냉각을 수행했습니다. 그건 그렇고, Onnes는 초전도 현상이 발견되기 3 년 전에 설립 된 자신의 특수 실험실에서 개발 한 자신의 방법에 따라 액체 헬륨을 얻었습니다.

샘플의 임계 온도에서 발생하여 저항이 0으로 떨어지는 초전도의 물리학에 대해 조금 이해하려면 언급해야 합니다. 상전이… 정상 상태는 금속이 정상적인 전기 저항을 가질 때 정상적인 위상입니다. 초전도 단계 — 이것은 금속의 저항이 0인 상태입니다. 이 상전이는 임계 온도 직후에 발생합니다.

상전이가 일어나는 이유는 무엇입니까? 초기 "정상" 상태에서 전자는 원자에서 편안하며 이 상태에서 와이어를 통해 전류가 흐를 때 소스의 에너지는 일부 전자가 원자를 떠나 전기장을 따라 움직이기 시작하도록 하기 위해 소비됩니다. 경로에서 깜박이는 장애물을 만나더라도.

와이어가 임계 온도 이하의 온도로 냉각되고 동시에 와이어를 통해 전류가 설정되면 전자(에너지 유리, 에너지 저렴)가 이 전류에 있고 원래 상태로 돌아가는 것이 더 편리해집니다. "정상" 상태, 이 경우 어딘가에서 여분의 에너지를 얻는 것이 필요하지만, 그것은 어디에서 오는 것이 아닙니다. 따라서 초전도 상태는 매우 안정적이어서 재가열하지 않으면 물질이 떠날 수 없습니다.

또한보십시오:마이스너 효과와 그 사용