Superconductividad de los metales, el descubrimiento de Heike Kamerling-Onnes

El primero en toparse con el fenómeno de la superconductividad Heike Kamerling Onnes — Físico y químico holandés. El año del descubrimiento del fenómeno fue 1911. Y ya en 1913, el científico recibirá el Premio Nobel de Física por su investigación.

Al realizar un estudio de la resistencia eléctrica del mercurio a temperaturas ultrabajas, quería determinar hasta qué nivel podía caer la resistencia de una sustancia a una corriente eléctrica si se limpiaba de impurezas, y reducir tanto como fuera posible lo que puede ser llamado. »ruido térmico«, es decir, para bajar la temperatura de estas sustancias. Los resultados fueron inesperados y asombrosos. ¡A temperaturas inferiores a 4,15 K, la resistencia del mercurio desapareció repentinamente por completo!

A continuación se muestra un gráfico de lo que observó Onnes.

En aquellos días, la ciencia ya sabía al menos eso. corriente en los metales es el flujo de electrones, que se separan de sus átomos y, como el gas cargado, son arrastrados por el campo eléctrico.Es como el viento cuando el aire se mueve de una zona de alta presión a una zona de baja presión. Solo que ahora, en el caso de la corriente, en lugar de aire, hay electrones libres, y la diferencia de potencial entre los extremos del cable es análoga a la diferencia de presión para el ejemplo del aire.

En dieléctricos, esto es imposible, porque los electrones están estrechamente unidos a sus átomos y es muy difícil arrancarlos de sus lugares. Y aunque en los metales los electrones que forman la corriente se mueven con relativa libertad, ocasionalmente chocan con obstáculos en forma de átomos que vibran y se produce una especie de fricción llamada resistencia eléctrica.

Pero cuando a temperatura ultrabaja comienza a manifestarse superconductividad, el efecto de fricción desaparece por alguna razón, la resistencia del conductor cae a cero, lo que significa que los electrones se mueven con total libertad, sin obstáculos. Pero, ¿cómo es esto posible?

Para encontrar la respuesta a esta pregunta, los físicos han pasado décadas investigando. E incluso hoy en día, los cables ordinarios se denominan cables "normales", mientras que los conductores en un estado de resistencia cero se denominan "superconductores".

Cabe señalar que aunque los conductores ordinarios disminuyen su resistencia al disminuir la temperatura, el cobre, incluso a una temperatura de varios kelvin, no se convierte en un superconductor, y el mercurio, el plomo y el aluminio sí lo hacen, su resistencia resulta ser de al menos cien billones. veces menor que la del cobre en las mismas condiciones.

Vale la pena señalar que Onnes no hizo afirmaciones sin fundamento de que la resistencia del mercurio durante el paso de la corriente se volvió exactamente cero, y no simplemente cayó tanto como para que fuera imposible medirlo con instrumentos de la época.

Estableció un experimento en el que la corriente en una bobina superconductora sumergida en helio líquido continuó circulando hasta que el genio se evaporó. ¡La aguja de la brújula, que seguía el campo magnético de la bobina, no se desvió en absoluto! En 1950, un experimento más preciso de este tipo durará un año y medio, y la corriente no disminuirá de ninguna manera, a pesar de un período de tiempo tan largo.

Inicialmente, se sabe que la resistencia eléctrica de un metal depende significativamente de la temperatura, puede construir un gráfico de este tipo para el cobre.

Cuanto más alta es la temperatura, más vibran los átomos. Cuanto más vibran los átomos, más significativo es el obstáculo que se vuelven en el camino de los electrones que forman la corriente. Si la temperatura del metal disminuye, entonces su resistencia disminuirá y se acercará a una cierta resistencia residual R0. Y esta resistencia residual, como se vio después, depende de la composición y la "perfección" de la muestra.

El hecho es que se encuentran defectos e impurezas en cualquier muestra hecha de metal. Esta dependencia interesó a Ones sobre todo en 1911, inicialmente no luchó por la superconductividad, sino que solo quería lograr la frecuencia del conductor lo más posible para minimizar su resistencia residual.

En aquellos años, el mercurio era más fácil de purificar, por lo que el investigador lo encontró por casualidad, a pesar de que el platino, el oro y el cobre son mejores conductores que el mercurio a temperaturas ordinarias, simplemente es más difícil purificarlos.

A medida que la temperatura disminuye, el estado superconductor ocurre abruptamente en un momento determinado cuando la temperatura alcanza un cierto nivel crítico. Esta temperatura se llama crítica, cuando la temperatura desciende aún más, la resistencia cae bruscamente a cero.

Cuanto más pura es la muestra, más pronunciada es la gota, y en las muestras más puras esta caída se produce en un intervalo de menos de una centésima de grado, pero cuanto más contaminada es la muestra, más larga es la caída y alcanza decenas de grados, esto es especialmente notable en superconductores de alta temperatura.

La temperatura crítica de la muestra se mide en medio del intervalo de caída brusca y es individual para cada sustancia: para mercurio 4,15K, para niobio, 9,2K, para aluminio, 1,18K, etc. Las aleaciones son una historia aparte, su superconductividad fue descubierta más tarde por Onnes: mercurio con oro y mercurio con estaño fueron las primeras aleaciones superconductoras que descubrió.

Como se mencionó anteriormente, el científico realizó el enfriamiento con helio líquido. Por cierto, Onnes obtuvo helio líquido según su propio método, desarrollado en su propio laboratorio especial, fundado tres años antes del descubrimiento del fenómeno de la superconductividad.

Para entender un poco sobre la física de la superconductividad, que se da a una temperatura crítica de la muestra para que la resistencia caiga a cero, cabe mencionar transición de fase… El estado normal, cuando el metal tiene una resistencia eléctrica normal, es la fase normal. Fase superconductora — este es el estado cuando el metal tiene resistencia cero. Esta transición de fase ocurre inmediatamente después de la temperatura crítica.

¿Por qué ocurre la transición de fase? En el estado "normal" inicial, los electrones se sienten cómodos en sus átomos, y cuando la corriente fluye a través de un cable en este estado, la energía de la fuente se gasta para obligar a algunos electrones a abandonar sus átomos y comenzar a moverse a lo largo del campo eléctrico. aunque encuentren obstáculos parpadeantes en sus caminos.

Cuando el cable se enfría a una temperatura por debajo de la temperatura crítica y al mismo tiempo se establece una corriente a través de él, se vuelve más conveniente para los electrones (energía favorable, energía barata) estar en esta corriente y volver al original. estado "normal", sería necesario en este caso, obtener energía extra de algún lado, pero no viene de ningún lado. Por tanto, el estado superconductor es tan estable que la materia no puede abandonarlo a menos que se recaliente.

Ver también:Efecto Meissner y su uso