Superconduttività dei metalli, la scoperta di Heike Kamerling-Onnes

Il primo a imbattersi nel fenomeno della superconduttività Heike Kamerling Onnes — Fisico e chimico olandese. L'anno della scoperta del fenomeno fu il 1911. E già nel 1913 lo scienziato riceverà il Premio Nobel per la fisica per le sue ricerche.

Conducendo uno studio sulla resistenza elettrica del mercurio a temperature bassissime, ha voluto determinare a quale livello potrebbe scendere la resistenza di una sostanza a una corrente elettrica se fosse ripulita dalle impurità, e ridurre il più possibile ciò che può essere chiamato. » rumore termico «, cioè per abbassare la temperatura di queste sostanze. I risultati sono stati inaspettati e sorprendenti. A temperature inferiori a 4,15 K, la resistenza del mercurio è improvvisamente scomparsa completamente!

Di seguito è riportato un grafico di quanto osservato da Onnes.

A quei tempi, la scienza sapeva già almeno questo la corrente nei metalli è il flusso di elettroni, che vengono separati dai loro atomi e, come il gas carico, vengono portati via dal campo elettrico.È come il vento quando l'aria si sposta da un'area di alta pressione a un'area di bassa pressione. Solo ora, nel caso della corrente, invece dell'aria, ci sono elettroni liberi, e la differenza di potenziale tra le estremità del filo è analoga alla differenza di pressione per l'esempio dell'aria.

Nei dielettrici questo è impossibile, perché gli elettroni sono strettamente legati ai loro atomi ed è molto difficile strapparli dal loro posto. E sebbene nei metalli gli elettroni che formano la corrente si muovano relativamente liberamente, occasionalmente si scontrano con ostacoli sotto forma di atomi vibranti e si verifica una sorta di attrito chiamato resistenza elettrica.

Ma quando a bassissima temperatura inizia a manifestarsi superconduttività, l'effetto di attrito scompare per qualche motivo, la resistenza del conduttore scende a zero, il che significa che gli elettroni si muovono completamente liberamente, senza impedimenti. Ma com'è possibile?

Per trovare la risposta a questa domanda, i fisici hanno trascorso decenni a fare ricerche. E anche oggi i fili ordinari sono chiamati fili "normali", mentre i conduttori in uno stato di resistenza zero sono chiamati "superconduttori".

Va notato che sebbene i conduttori ordinari diminuiscano la loro resistenza con la diminuzione della temperatura, il rame, anche a una temperatura di diversi kelvin, non diventa un superconduttore, e mercurio, piombo e alluminio lo fanno, la loro resistenza risulta essere di almeno cento trilioni volte inferiore a quella del rame nelle stesse condizioni.

Vale la pena notare che Onnes non ha fatto affermazioni infondate secondo cui la resistenza del mercurio durante il passaggio della corrente è diventata esattamente zero, e non è semplicemente diminuita così tanto da rendere impossibile misurarla con gli strumenti dell'epoca.

Ha organizzato un esperimento in cui la corrente in una bobina superconduttrice immersa nell'elio liquido ha continuato a circolare finché il genio non è evaporato. L'ago della bussola, che seguiva il campo magnetico della bobina, non deviava affatto! Nel 1950 un esperimento più accurato di questo tipo durerà un anno e mezzo e la corrente non diminuirà in alcun modo, nonostante un periodo di tempo così lungo.

Inizialmente, è noto che la resistenza elettrica di un metallo dipende in modo significativo dalla temperatura, è possibile costruire un grafico del genere per il rame.

Più alta è la temperatura, più gli atomi vibrano e più gli atomi vibrano, più diventano un ostacolo significativo nel percorso degli elettroni che formano la corrente. Se la temperatura del metallo diminuisce, la sua resistenza diminuirà e si avvicinerà a una certa resistenza residua R0. E questa resistenza residua, come si è scoperto, dipende dalla composizione e dalla "perfezione" del campione.

Il fatto è che difetti e impurità si trovano in qualsiasi campione di metallo. Questa dipendenza interessò Ones soprattutto nel 1911, inizialmente non ambiva alla superconduttività, ma voleva solo ottenere una frequenza del conduttore tale da minimizzarne la resistenza residua.

In quegli anni il mercurio era più facile da purificare, quindi il ricercatore si è imbattuto in esso per caso, nonostante il platino, l'oro e il rame siano conduttori migliori del mercurio a temperature ordinarie, è solo più difficile purificarli.

Quando la temperatura diminuisce, lo stato superconduttore si verifica bruscamente in un certo momento in cui la temperatura raggiunge un certo livello critico. Questa temperatura è chiamata critica, quando la temperatura scende ancora più in basso, la resistenza scende bruscamente a zero.

Più puro è il campione, più netta è la goccia, e nei campioni più puri questa goccia si verifica in un intervallo inferiore a un centesimo di grado, ma più il campione è inquinato, più lunga è la goccia e raggiunge decine di gradi, questo è particolarmente evidente dentro superconduttori ad alta temperatura.

La temperatura critica del campione viene misurata nel mezzo dell'intervallo di caduta netta ed è individuale per ciascuna sostanza: per mercurio 4,15 K, per niobio, 9,2 K, per alluminio, 1,18 K, ecc. Le leghe sono una storia a parte, la loro superconduttività fu scoperta più tardi da Onnes: il mercurio con l'oro e il mercurio con lo stagno furono le prime leghe superconduttrici che scoprì.

Come accennato in precedenza, lo scienziato ha eseguito il raffreddamento con elio liquido. A proposito, Onnes ha ottenuto l'elio liquido secondo il suo metodo, sviluppato nel suo laboratorio speciale, fondato tre anni prima della scoperta del fenomeno della superconduttività.

Per capire un po' la fisica della superconduttività, che si verifica a una temperatura critica del campione in modo che la resistenza scenda a zero, va menzionato transizione di fase… Lo stato normale, quando il metallo ha una resistenza elettrica normale, è la fase normale. Fase superconduttiva - questo è lo stato in cui il metallo ha resistenza zero. Questa transizione di fase avviene immediatamente dopo la temperatura critica.

Perché si verifica la transizione di fase? Nello stato "normale" iniziale, gli elettroni sono a loro agio nei loro atomi e quando la corrente scorre attraverso un filo in questo stato, l'energia della sorgente viene spesa per costringere alcuni elettroni a lasciare i loro atomi e iniziare a muoversi lungo il campo elettrico, anche se incontrano ostacoli tremolanti sul loro cammino.

Quando il filo viene raffreddato a una temperatura inferiore alla temperatura critica e allo stesso tempo viene stabilita una corrente attraverso di esso, diventa più conveniente per gli elettroni (energia favorevole, energia economica) essere in questa corrente e tornare all'originale stato "normale", in questo caso sarebbe necessario ottenere energia extra da qualche parte, ma non arriva da nessuna parte. Pertanto, lo stato superconduttore è così stabile che la materia non può lasciarlo a meno che non venga riscaldata.

Guarda anche:Effetto Meissner e suo utilizzo