Žemiau tam tikros temperatūros kai kurios medžiagos praranda gebėjimą blokuoti elektros srovės praėjimą. Jų elektrinė varža tampa lygi nuliui. Ši savybė vadinama superlaidumu.
Superlaidumo atradimas
Superlaidumo fenomenas buvo atrastas 1911 m. Olandų fizikas Heike Kamerlingh Onnes , tiriant metalų elektrinės varžos priklausomybę nuo temperatūros. Itin žema temperatūra jis pradėjo domėtis dar 1893 m. O 1908 m. jam pavyko gauti skysto helio. Naudodamas jį metaliniam gyvsidabriui aušinti, jis nustebo sužinojęs, kad esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui, gyvsidabrio elektrinė varža staiga nukrenta iki nulio.
Pagal tuo metu egzistavusius fizines teorijas, mažėjant temperatūrai, pasipriešinimas turėtų palaipsniui mažėti. Bet buvo ir požiūris, kad esant labai žemai temperatūrai elektronų judėjimas sustos, pasipriešinimas padidės, o medžiaga išvis nustos laidi elektros srovę.
Eksperimento pradžioje viskas vyko pagal teoriją. Mažėjant temperatūrai, gyvsidabrio atsparumas palaipsniui mažėjo. Tačiau kai temperatūra nukrito iki 4,15 K, gyvsidabris staiga visai prarado savo atsparumą. Ji persikėlė į visiškai naują būseną, kuri buvo vadinama superlaidumas .
Superlaidumo prigimtis
Kas nutinka metaluose, kai jų temperatūra nukrenta iki verčių, artimų absoliučiam nuliui?
Kiekvienas atomas susideda iš teigiamai įkrauto branduolio ir elektronų, kurie turi neigiamas krūvis. Elektronai sukasi aplink branduolį orbitomis. Kuo orbita arčiau branduolio, tuo stipriau prie jo pritraukia elektroną. Elektronai, esantys išorinėje orbitoje, vadinami valentiniais elektronais. Jie lengvai atitrūksta nuo branduolio, palieka savo orbitą ir laisvai juda kristalinėje gardelėje. Išorės įtakoje elektrinis laukas jų judėjimas tampa tvarkingas, jie pradeda judėti viena kryptimi. Metale atsiranda elektros srovė. Tačiau elektronų kelyje atsiranda kliūčių kristalinės gardelės mazgų, jų defektų arba medžiagoje esančių priemaišų atomų pavidalu. Todėl atsiranda elektros pasipriešinimas srovei. Temperatūrai mažėjant, gardelės struktūros sutrikimai, susiję su atomų šiluminiais virpesiais, mažėja. Struktūra tampa teisingesnė. Vadinasi, pasipriešinimas taip pat mažėja.
Superlaidumo mikroskopiniame lygmenyje paaiškinimas buvo pateiktas teorijoje, vadinamoje BCS jo kūrėjų garbei - Amerikos fizikai Johnas Bardeenas, Leonas Cooperis ir Johnas Schriefferis . Jis remiasi Kuperio elektronų poros .
Leonas Neilas Cooperis
Normaliomis sąlygomis elektronai yra fermionai, dalelės, turinčios pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi, kurių vertė yra -1/2 arba +1/2. Kiekvienas fermionas apibūdinamas savaip bangos funkcija. Jie taip pat juda vieni ir savarankiškai įveikia savo kelyje esančias kliūtis. Tačiau tam tikromis sąlygomis jie sudaro poras. Elektronai su sukimosi reikšmėmis +1/2 ir -1/2 susijungia ir susidaro surišta būsena kuris vadinamas Cooperio pora . Ši pora turi nulinį sukinį ir dvigubą elektronų krūvį. Ir nuo viso jo sukimosi lygus nuliui, tada jis turi bozono savybių. Bozonai sudaro „Bose kondensatą“, prie kurio prisijungia visi laisvieji bozonai. Jie tampa viena visuma, galinčia judėti nereaguodami į jokias kliūtis jų kelyje. Taip atsiranda superlaidžioji srovė.
Kritinė temperatūra
Paaiškėjo, kad ne tik gyvsidabris turi superlaidumą esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui. Ši savybė buvo aptikta švino, alavo, talio, urano ir kituose metaluose. Superlaidumas atsiranda staiga, kai medžiaga atšaldoma iki tam tikros temperatūros. Temperatūra T s , kuriame šis šuolis įvyksta, vadinamas kritiniu. Kiekvienas elementas, turintis superlaidumą, turi savo. Pavyzdžiui, niobis pereina į superlaidžią būseną esant 9 K, o volframas – 0,012 K.
Superlaidumą turi ne tik gryni metalai, bet ir kai kurie lydiniai. Pavyzdžiui, gyvsidabrio lydinys su auksu ir alavu. Yra net superlaidžių lydinių, kuriuose vienas iš jo sudėtyje esančių elementų gali būti ne superlaidininkas.
Jeigu superlaidininko žiedas atšaldomas iki kritinės temperatūros ir jame sužadinama elektros srovė, tai ji tekės net ir pašalinus srovės šaltinį ir tol, kol temperatūra žiede bus žemesnė už kritinę. Bet tai atsitinka tik nuolatinės elektros srovės elektriniame lauke. Kintamajame elektriniame lauke superlaidininko varža didėja, jei didėja kintamosios srovės dažnis.
1983-1986 metais buvo sukurti nauji superlaidininkai. Tai superlaidi keramika, geležies pagrindu pagaminti superlaidininkai ir kt. Superlaidumas juose atsiranda esant žymiai aukštesnei nei absoliutaus nulio temperatūrai. 1993 metais buvo aptikta medžiaga, kurios kritinė temperatūra yra 135 K.
Meisnerio efektas
1933 metais vokiečių fizikas Walteris Fritzas Meissneris kartu su kitu vokiečių fiziku Robertu Ochsenfeldu atrado dar vieną nuostabią ir svarbią superlaidininkų savybę – išstumdamas magnetinį lauką iš jo tūrio. Šis reiškinys buvo vadinamas Meisnerio efektas .
Walteris Fritzas Meissneris
Meisnerio efektą aiškiai parodo eksperimentas, atliktas 1945 m. rusų fizikas Vladimiras Konstantinovičius Arkadjevas.
Šiame eksperimente nuolatinis magnetas, atneštas į puodelį, pagamintą iš superlaidaus metalo, kabo virš jo esančioje erdvėje. Žema puodelio temperatūra palaikoma dėl to, kad jo kojos panardintos į skystą helią. Bet kodėl magnetas netraukia puodelio? Faktas yra tas, kad neslopinama srovė superlaidininko viduje sukuria magnetinį lauką, kurio kryptis yra priešinga magneto sukuriamo išorinio magnetinio lauko krypčiai. Šis laukas subalansuoja ir atstumia išorinį lauką, todėl atrodo, kad magnetas plūduriuoja erdvėje. Šis reiškinys vadinamas magnetinė levitacija.
Jei įdėsite superlaidininką į magnetinį lauką ir padidinsite šio lauko stiprumą, tada esant tam tikrai intensyvumo vertei, lygiai N s , išnyksta superlaidumas. Toks magnetinis laukas vadinamas kritiniu lauku. Kai įtampa didesnė N s superlaidininkas tampa paprastu laidininku. Kuo žemesnė superlaidininko temperatūra, tuo didesnis turi būti lauko stiprumas, galintis sunaikinti superlaidumą.
Grynuose superlaidininkuose, sudarytuose iš vienos medžiagos, magnetinis laukas bus išstumtas tol, kol pasieks magnetinio lauko stiprumas N s . Tokie superlaidininkai vadinami I tipo superlaidininkai .
Ir superlaidžių lydinių vertės yra dvi: N s1 Ir N s2 . Kai išorinis magnetinio lauko stiprumas pasiekia N s1 , šis laukas jau pradės skverbtis į superlaidininko vidų. Tačiau jo elektrinė varža vis tiek išlieka lygi nuliui, ir stebimas superlaidumo reiškinys. Ir kai įtampa tampa lygi N s2 , superlaidumas visiškai išnyks. Tokie superlaidininkai vadinami II tipo superlaidininkai .
Superlaidininkų taikymas
Superlaidumo atradimas padarė revoliuciją moksle. Iš karto atsirado daug idėjų, kaip tai panaudoti. unikalus reiškinys technologijose.
Esant itin žemai temperatūrai, srovė praeina per superlaidininkus praktiškai be nuostolių. Todėl jie naudojami įvairiems kabeliams, perjungimo įtaisams, elektros varikliams, turbogeneratoriams, temperatūros, slėgio matavimo prietaisams ir kt. Jų pagalba magnetinio rezonanso skeneryje sukuriamas elektromagnetinis laukas. Tai leidžia gydytojams gauti aukštos kokybės audinių vaizdus vidaus organaižmogus perpjaunamas, nors iš tikrųjų organas nesužalotas.
Instaliacijose termobranduolinė sintezė, dideliuose greitintuvuose elementariosios dalelės naudoti superlaidžias rites.
Superlaidžių magnetų apvijos, sukuriančios stiprius magnetinius laukus, yra pagamintos iš II tipo superlaidininkų. Superlaidieji magnetai yra daug ekonomiškesni nei įprasti feromagnetai.
2003 metais Japonijoje buvo išbandytas maglev traukinys. Jo judėjimas pagrįstas Meissner efekto (magnetinės levitacijos) panaudojimu. Bėgių elektromagnetinį lauką atstumia superlaidininkai, esantys traukinio pakaboje. O traukinys tarsi lekia per bėgius jų neliesdamas. Tai leidžia jam išvystyti didžiulį greitį, prilygstamą lėktuvo greičiui. Žinoma, tokiems traukiniams reikalingi specialūs bėgiai. Tačiau jie išleidžia dešimtis kartų mažiau energijos nei lėktuvai. Panašūs traukiniai buvo sukurti Vokietijoje, Kinijoje ir Pietų Korėjoje.
Helis pirmą kartą buvo suskystintas 1908 m., Heike Kamerlingh Onnes iš Leideno universiteto, ir nuo tada buvo įmanoma jį tirti. fizikiniai reiškiniai esant temperatūrai, kuri yra tik keli laipsniai aukštesnė už absoliutų nulį (helio virimo temperatūra atmosferos slėgis 4,2 K).
Viena iš tyrimų sričių buvo susijusi su metalų atsparumo priklausomybe nuo temperatūros. Kamerlingh Onnes jau atliko panašius tyrimus, kai temperatūra mažėja iki skysto oro temperatūros (apie 80 K).
Kelių grynų metalų jis rado apytiksliai tiesinė priklausomybė, tačiau jis nustatė, kad tokia priklausomybė negali tęstis neribotą laiką, nes kitaip su absoliutus nulis pasipriešinimas taptų neigiamas. Seras Jamesas Dewaras tęsė Kamerlingho Onneso tyrimus ir pasiekė skysto vandenilio temperatūrą (20 K), ir paaiškėjo, kad pasipriešinimas iš tikrųjų pradėjo mažėti lėčiau.
Būtent to ir reikėjo tikėtis ne tik dėl jau minėtos priežasties, bet ir remiantis tuo metu priimtomis idėjomis apie metalus ir jų savybes.
Buvo tikima, kad elektros laidumas yra vykdomas perkeliant elektronus, o pasipriešinimas atsiranda dėl elektronų susidūrimo su metalo atomais.
Tiesinis pasipriešinimo mažėjimo pobūdis visiškai atitiko numatomą elektronų judėjimo pokytį mažėjant temperatūrai. Tačiau buvo tikimasi, kad esant pakankamai žemai temperatūrai elektronai „kondensuos“ ant atomų, tada varža tam tikroje temperatūroje turėtų būti minimali, o tada metalas taps izoliatoriumi.
Realybėje stebimas metalų elgesys smarkiai skyrėsi nuo spėjamo. Kamerlingh Onnes atrado, kad mažėjant temperatūrai daugumos metalų atsparumas linkęs mažėti pastovią vertę, tuo tarpu kai kuriems metalams visiškai išnyksta esant tam tikrai būdingai temperatūrai, kuri, kaip paaiškėja, priklauso nuo magnetinio lauko stiprumo. Šie eksperimentai yra tarp darbų, už kuriuos Kamerlingh Onnes buvo apdovanotas 1913 m. Nobelio premija fizikoje.
Daugiau nei du dešimtmečius būtent pasipriešinimo išnykimas buvo laikomas pagrindiniu, skiriamuoju superlaidumo bruožu. Tačiau kai kurios šio reiškinio ypatybės suklaidino mokslininkus.
Taigi, jei magnetinis laukas taikomas įprastam laidininkui (ne feromagnetui), dalis magnetinio srauto praeina per laidininko storį. Jei jį pritaikysite idealiam laidininkui, pastarajame indukuojamos paviršiaus srovės, kurios sukuria magnetinį lauką laidininko viduje, kuris visiškai kompensuoja taikomą išorinį lauką ir tokiu būdu palaiko nulinę magnetinio srauto vertę laidininko viduje.
Tai reiškė, kad laidininko būsena magnetiniame lauke priklauso nuo to, kaip ši būsena buvo pasiekta – situacija aukščiausias laipsnis nemalonu.
Vėliau, 1933 m., W. Meissneris, R. Ochsenfeldas ir F. Heidenreichas parodė, kad metalas, tapęs superlaidininku, iš tikrųjų išstumia magnetinį srautą, jei temperatūra nukrenta žemiau kritinės vertės, kai mėginys yra magnetiniame lauke.
Kitas tyrimo etapas buvo naujai atrastos būsenos tyrimas esant didelėms srovės vertėms. Tokio tyrimo būtinybę padiktavo tokia aplinkybė: jei varža iš tikrųjų nebūtų lygi nuliui, tada didesnė srovė turėtų lemti didesnę, todėl lengviau fiksuojamą potencialų skirtumo reikšmę.
Tačiau gauti rezultatai tik dar labiau supainiojo situaciją, nes buvo pastebėtas „ypatingas reiškinys“: esant bet kokiai temperatūrai, žemesnei nei 4,18 K gyvsidabrio gijos, uždarytos stikliniame kapiliare, buvo tam tikra slenkstinė srovės tankio vertė, kurią viršijus reiškinys smarkiai pasikeitė. Esant srovės tankiui, mažesniam už slenkstį, elektros srovė teka be jokių pastebimų potencialų skirtumų, taikomų kaitinamojo siūlo galams. Tai parodė, kad siūlas neturėjo pasipriešinimo.
Kai tik srovės tankis viršijo slenkstinę vertę, atsirado potencialų skirtumas, kuris taip pat augo greičiau nei pati srovė. Tada buvo atlikta daugybė eksperimentų, siekiant rasti naujo efekto paaiškinimą. Pirmiausia buvo pastebėta, kad mažėjant temperatūrai slenkstinis srovės tankis didėjo – maždaug proporcingai nuokrypiui nuo pereinamosios temperatūros į superlaidžią būseną (kol temperatūrų skirtumas nebuvo per didelis). Natūralu, kad buvo daroma prielaida, kad dėl kaitinimo dėl tam tikro poveikio gyvsidabrio temperatūra pakilo virš pereinamojo taško. Buvo nustatyta užduotis surasti šį šilumos šaltinį.
Naudojant skirtingas gyvsidabrio gijos konfigūracijas, buvo galima nustatyti, kad šiluma nebuvo tiekiama iš išorės. Buvo atsižvelgta į gyvsidabrio priemaišų įtaką, nors jos turėjo būti pašalintos distiliavimo proceso metu; eksperimentai parodė, kad kaitinimo efektas nėra susijęs su priemaišomis, specialiai pridėtomis reikiamais kiekiais.
Be to, buvo pasiūlyta, kad galbūt gyvsidabrio gijos kontaktas su įprastu laidininku, tam tikra forma randamas jame arba susidaręs jame, gali panaikinti gyvsidabrio superlaidžias savybes. Bandymui buvo paimtas plieninis kapiliaras, tačiau tai nedavė jokių konkrečių rezultatų ir tik vėliau, atlikus to paties tipo eksperimentus su skarda, ši prielaida buvo atmesta. Apskritai eksperimentai su gyvsidabriu neatsakė į pateiktą klausimą.
Tačiau, kaip nustatė Kamerlinghas Onnesas, gyvsidabris nebuvo labai tinkamas objektas sistemingas tyrimas. « Bendras veiksmas daugelis aplinkybių lėmė sunkumų dirbant su gyvsidabriu kapiliaruose.
Diena eksperimentuojant su skystu heliu pareikalavo didžiulio pasiruošimo, o kalbant apie čia aprašytus tikrus eksperimentus, jiems liko vos kelios valandos. Norint atlikti tikslius matavimus su skystu heliu tokiomis sąlygomis, būtina iš anksto sudaryti programą ir greitai bei metodiškai ją atlikti eksperimento dieną. Eksperimentinės sąrankos pakeitimus, kurių poreikį lėmė pastebėti reiškiniai, dažniausiai tekdavo atlikti kitą dieną.
Dažnai dėl tam tikro vėlavimo, kurį sukėlė daug darbo jėgos reikalaujantis varžų gamybos procesas, helio instaliacija buvo naudojama kitiems tikslams. Kai galėjome pradėti eksperimentą iš naujo, atsitiko taip, kad paruošti pasipriešinimai pasirodė nenaudingi, nes užšalus gyvsidabriui nutrūko siūlas ir visos mūsų pastangos nuėjo perniek. Tokiomis sąlygomis netikėtų ir klaidinančių trukdžių šaltinių aptikimas ir pašalinimas užtruko labai ilgai.
Be to, mėginį buvo pageidautina atvėsinti ne per kapiliaro sienelę, o tiesiogiai kontaktuojant su skystu heliu. Todėl, kai Kamerlingh Onnes atrado, kad alavas ir švinas pasižymi panašiomis savybėmis kaip gyvsidabris, jis toliau eksperimentavo su šiais dviem metalais. Tada iškilusi problema buvo išspręsta.
Tiesą sakant, viltis jį išspręsti atsirado jau atliekant eksperimentus, kurių metu buvo atrastas švino superlaidumas. Iš jo buvo nesunku padaryti vielą, o pagaminta gana daug didelis skaičius laidai su skerspjūvis 70 mm2. Vieno tokio dydžio laidininko slenkstinė srovės vertė esant 4,25 K buvo 8 A. Tada šiuo laidu ant 1 cm skersmens šerdies buvo suvyniota 1 cm ilgio ritė, turinti 1000 apsisukimų. Apvija buvo šilkine izoliacija, kuri sudrėkinta skystu heliu. Kaip paaiškėjo, slenkstinė srovės vertė buvo tik 0,8 A.
1913 metais susidomėjimas gauti stiprius magnetinius laukus jau buvo gana didelis, ir nebuvo jokių abejonių, kad pagrindinė problema buvo susijusi su galios išsklaidymu apvijoje. Pavyzdžiui, Perrinas pasiūlė aušinimui naudoti skystą orą; buvo tikimasi, kad dėl apvijų varžos sumažėjimo mažėjant temperatūrai sumažės joje generuojamos šilumos kiekis, o tai duos tam tikrą pelną.
Tačiau skaičiavimai parodė, kad tokiu būdu pelno pasiekti nepavyks, visų pirma dėl to, kad labai sunku pasiekti reikiamą šilumos perdavimą tarp tariamai kompaktiškos ritės ir aušintuvo. Kamerliig-Onies teisingai įvertino superlaidininkų panaudojimo šiam tikslui galimybes, pažymėdamas, kad juose iš viso neturėtų susidaryti šiluma. Tačiau kalbėdamas apie tai, jis pripažino „tikimybę, kad magnetinis laukas gali sukelti superlaidininko pasipriešinimą“. Ir jis pradėjo nagrinėti šią problemą.
„Buvo priežasčių manyti, kad šis poveikis bus silpnas. Tiesioginis įrodymas Tai, kad veikiant magnetiniam laukui superlaidininkuose atsiranda tik nedidelis pasipriešinimas, buvo gauta, kai paaiškėjo, kad aukščiau aprašyta ritė išlieka superlaidi, net jei per ją praeina 0,8 A srovė Pačios ritės laukas pasiekė kelis šimtus gauss šiuo atveju, o tokio dydžio lauke buvo dauguma posūkių, tačiau pasipriešinimo nepastebėta“. Todėl Kamerlinghas Onnesas sukūrė šių eksperimentų atlikimo sąranką, kuri leistų tirti reiškinius, stebimus tik kilogausų eilės laukuose.
Rezultatai vėl buvo netikėti. Ankstesniuose eksperimentuose naudota superlaidi švino ritė buvo patalpinta į kriostatą taip, kad posūkių plokštuma būtų lygiagreti magnetiniam laukui.
„Visų pirma, buvome įsitikinę, kad ritė bus superlaidi helio virimo temperatūroje; jis išliko superlaidus net tada, kai per jį buvo pratekėjusi 0,4 A srovė, nors posūkiai buvo pastebimame magnetiniame lauke, kurį sukūrė per juos tekanti srovė.
Tada buvo pritaikytas magnetinis laukas. Esant 10 kG lauko stipriui, 5 kG pasipriešinimas buvo šiek tiek mažesnis. Šie eksperimentai gana įtikinamai parodė, kad didelio intensyvumo magnetinis laukas superlaidininkuose sukelia pasipriešinimo atsiradimą, tačiau esant mažam intensyvumui – ne. Tolimesnių tyrimų metu gauta pasipriešinimo priklausomybė nuo lauko.
Kamerlinghas Onnesas dar nebuvo pasirengęs sujungti kritinės srovės su kritine magnetinio lauko verte. Jis neabejojo, kad čia aptiktas reiškinys susijęs su staigiu superlaidininkių įprastos varžos tam tikroje temperatūroje atsiradimu – šį ryšį atrado kiti tyrinėtojai. Nepaisant to, galima būtų manyti, kad pamatai buvo pakloti.
Tačiau laikui bėgant šio skyriaus pradžioje aprašytas paradoksas labai išryškėjo. Mažas pokytis formuluotė ją dar labiau sustiprino. Jei medžiaga, būdama magnetiniame lauke, mažėjant temperatūrai virstų idealiai laidžia būsena, tada į mėginį perėjimo momentu prasiskverbiantis magnetinis srautas turėtų likti į jį „užšaldytas“ ir išlikti, kai laukas vėliau pasukamas. išjungti (jei temperatūra palaikoma nepakitusi) .
Taip paruošus įvairius pavyzdžius būtų galima sukurti aibę (iš esmės begalinę) skirtingų būsenų, egzistuojančių tomis pačiomis sąlygomis. išorinės sąlygos, kurios galbūt netgi gali turėti terminį kontaktą vienas su kitu, ty būti pusiausvyros būsenoje.
Iki 1933 m. ši galimybė nebuvo paneigta eksperimentiškai, o kai kurie eksperimentai, atrodo, net patvirtino. Buvo net teorinių svarstymų jos naudai. Ir tuo metu Meissnerį, tyrinėdamas perėjimą į superlaidžią būseną, pribloškė tam tikra histerezės atsiradimas: alavo monokristalo grįžimas į normalios būklėsįvyko esant šiek tiek aukštesnei nei perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra.
Šis efektas buvo pastebėtas net tada, kai varža kiekviename taške buvo matuojama dviem srovės kryptimis specialiai sukurtu būdu, kad būtų išvengta termoelektrinių reiškinių, jei srovės kryptis nepasikeitė, efektas buvo sustiprintas. Histerezė parodė, kad reiškinys buvo susijęs su mėginio pralaidumo pasikeitimu.
Meissneris apie tai rašė taip: „Jei išmatuotos srovės pasiskirstymas ir jos sukuriamas magnetinis laukas nepasikeistų, histerezės reiškiniams atsirasti nebūtų pagrindo“. Todėl jis ir jo bendradarbiai mano, kad jo pralaidumas sumažėja iki nulio. Jei tai išvis įvyko, tai ne vienas elektros linija laukas negalėjo baigtis vidiniame superlaidininko ertmės paviršiuje, o eksperimentai aiškiai rodo, kad situacija yra būtent tokia.
Praėjo daug metų, kol pavyko sukurti patenkinamą superlaidumo teoriją; Tiesą sakant, šis klausimas nebuvo galutinai išspręstas net 1972 m. Tačiau Meissnerio atradimas leido bent jau pateikti patenkinamą makroskopinę stebimų reiškinių interpretaciją.
J. Triggas „XX amžiaus fizika: pagrindiniai eksperimentai“
Gyvsidabris yra nepaprastai svarbus metalas, naudojamas beveik visose gamybos pramonės šakose. Todėl daugelis šalių sparčiai plėtoja gyvsidabrio pramonę ir plečia jos telkinių paieškas. Koks yra gyvsidabrio vaidmuo moderni pramonė– Pabandykime tai išsiaiškinti šiame straipsnyje.
Kas yra gyvsidabris
Tai cheminis elementas ir vienintelis metalas, kuris yra skysta būsena adresu normali temperatūra. pilka - taip atrodo gyvsidabris, kurio nuotrauka pateikta žemiau.
Gyvsidabris gali sukietėti tik esant labai žemai temperatūrai. Viduramžių alchemikai negalėjo pasiekti šio metalo sukietėjimo. Ir tik 1759 m Rusijos akademikai M. V. Lomonosovui ir I. A. Brownui tai pavyko. Faktas yra tas, kad tais metais Rusijoje tokių buvo stiprių šalnų, o specialių mišinių pagalba mokslininkai temperatūrą sumažino iki -56ºС. Tokiomis sąlygomis gyvsidabris užšaldavo ir tapdavo panašus į metalą. Vėliau ilgą laiką kiti alchemikai atrado superlaidų gyvsidabrio poveikį, kai sumažino temperatūrą iki -270ºC.
Gyvsidabris žmonijos istorijoje
Gyvsidabris žmonėms buvo žinomas nuo seniausių laikų. Pirmieji jo paminėjimai randami V a. pr. Kr. įrašuose. e. Gyvsidabris buvo daug tyrinėtas Indijoje ir Kinijoje. Seniausia Indijos alchemijos mokykla yra žinoma kaip Rasajana arba gyvsidabrio kelias. Ji dalyvavo kuriant vaistinius vaistus ir įvairius gėrimus.
Senovės žmonės gamtoje rado gyvsidabrį cinobero pavidalu. Jie naudojo jį kaip raudoną dažiklį. Pavadinimas „cinobaras“ siejamas su senovės legenda ir yra išverstas kaip „drakono kraujas“. Ši gyvsidabrio savybė yra susijusi su religiniai įsitikinimai. Tuo metu žmonės tikėjo, kad tai kalnuose nužudytos šventos būtybės – drakono – kraujas. Todėl gyvsidabris buvo laikomas gydomąja medžiaga, galinčia išgydyti ligonius. Viena iš šių priemonių buvo gyvsidabrio tepalas.
Senovės alchemikai gyvsidabrį laikė visų metalų ir jų pagrindu gyvybingumas. Jie buvo įsitikinę, kad auksą galima gauti iš gyvsidabrio ir sieros. Tačiau po daugybės eksperimentų ir eksperimentų tapo aišku, kad iš šios idėjos nieko nebus. Kiek mokslininkų mirė bandydami atrasti aukso kūrimo formulę. Ir šie tyrimai tęsėsi iki XX amžiaus 30-ųjų, kol mokslas pradėjo sparčiai vystytis. Naudodami radioaktyvųjį skilimą, mokslininkai gavo iš gyvsidabrio stabilūs izotopai aukso, bet jo buvo labai mažai. Ir tokio metalo kaina yra labai didelė.
Kaip kasamas gyvsidabris?
Pagrindinis ir praktiškai vienintelis pramoninis šaltinis Gyvsidabris yra cinobaro mineralas. Jį sudaro 86% likusių komponentų – kitų mineralų priemaišų. Paprastai cinabaras atrodo kaip ištisinis sekretas, kuriame gausu priemaišų ir atrodo kaip grūdai netaisyklingos formos. Rasti retai susiformavę romboedrinės, bipiramidinės išvaizdos kristalai. Kartais atrandami dubliai.
Metalinis gyvsidabris iš cinobero gaunamas kaitinant jį atvirame vamzdyje, kuris veikia jį deguonimi. Šildant maži gyvsidabrio lašeliai teka šaltomis sienelėmis. Paprastai rūdos kūnai atsiranda sekliame gylyje ir yra susiję su kvarcitais, kalkakmeniais, dolomitais ir skalūnais. Didžiausi pasaulyje gyvsidabrio telkiniai yra Ispanijoje, JAV, Jugoslavijoje, Slovėnijoje, Tadžikistane ir Kirgizijoje. Pietų Kinijoje kasami dideli gyvsidabrio rūdos kristalai.
Pagrindinės gyvsidabrio savybės
Šis mineralas turi unikalių savybių, dėl kurių gyvsidabrio naudojimas šiuolaikinėje pramonėje tapo svarbiu elementu. Gyvsidabris laikomas nuodingu ir pavojingas metalas. Tačiau jo fizinis ir cheminės savybės daugelyje sričių žmogaus veikla nepakeičiamas.
Fizinės savybės
Gyvsidabris klasifikuojamas kaip diamagnetinis, nes gali susidaryti kietieji lydiniai su kitais metalais ir skystais junginiais – amalgamomis. Gyvsidabrio kietėjimo temperatūra yra -38,83 ºС, o metalas verda 356,73 ºС. Jis išgaruoja dar vienu svarbi savybė Gyvsidabris yra diamagnetinis. Tai reiškia, kad įprastu magnetu neįmanoma surinkti skysto metalo rutulių.
Cheminės savybės
Patinka taurieji metalai, gyvsidabris yra stabilus sausame ore. Jis sąveikauja su rūgštimis, druskomis ir nemetalais. Gyvsidabris nereaguoja su vandeniu, šarmais ir neoksiduojančiomis rūgštimis. Esant aukštesnei nei 300ºС temperatūrai, jis reaguoja su deguonimi, sudarydamas gyvsidabrio oksidą.
Gyvsidabrio naudojimas šiuolaikinėje pramonėje
Viduramžiais jis buvo aktyviai naudojamas medicinoje sujungimui ir įvairių prietaisų gamybai. Šiais laikais neįmanoma rasti pramonės nacionalinė ekonomika, kuriame nenaudojamas gyvsidabris. Šio mineralo savybes ir panaudojimą daugybėje mokslinių darbų aprašo viso pasaulio mokslininkai.
Taigi gyvsidabris žemės ūkyje naudojamas sėkloms apdoroti. IN chemijos pramonė jis naudojamas kaip katalizatorius acetileno gamybai iš acetileno Naudojant gyvsidabrio katodus galima izoliuoti stalo druskos kaustinė soda ir chloras.
Gyvsidabris yra esminis povandeninių dažų gamybos komponentas jūrų laivai. Faktas yra tai, kad jūros vandenyje gyvenantys mikroorganizmai prisitvirtina prie laivų dugno ir prisideda prie korozijos bei metalinių dalių susidėvėjimo. Dažuose esantis gyvsidabris, veikiamas jūros chloro, sudaro sublimaciją, kuri nuodija kenksmingas bakterijas.
Gyvsidabris netgi naudojamas veltinio gamyboje. Jame esančios druskos puikiai nuriebina pūkus. Saugesnių pakaitalų, kurie suteiktų tokį patį poveikį, dar nerasta. Gyvsidabris taip pat tarnauja kaip katalizatorius organinė sintezė odos rauginimo proceso metu.
Kaip jau minėta, gyvsidabris visada buvo naudojamas medicinoje. Šiuo metu jo pagrindu gaminami antiseptiniai ir diuretikai. Gyvsidabrio tepalas buvo ruošiamas senovės Indijoje, kurio receptas išliko iki šių dienų. Dėl gebėjimo ištirpinti kitus metalus gyvsidabris naudojamas dantų plomboms gaminti.
Gyvsidabrio naudojimas pramonėje taip pat susijęs su jo gebėjimu išgaruoti kambario temperatūroje. Pavyzdžiui, aliejaus valymui. Taigi metalo garinimas padeda reguliuoti naftos perdirbimo procesų temperatūrą.
Merkurijaus prietaisai
Fizinės ir cheminės savybės yra pagrindinė priežastis, pagal kurią gyvsidabris naudojamas įvairiuose įrenginiuose ir mašinose. Metalo garai naudojami gyvsidabrio turbinose. Tokie įrengimai ypač naudingi, kai įrenginyje mažai vandens, o mechanizmas aušinamas tik oru.
Elektrotechnikoje naudojami lygintuvai su skysto gyvsidabrio katodu. Jie leidžia paversti trifazę elektros srovę į nuolatinę srovę. Netgi astronominiais tikslais naudojami gyvsidabrio instrumentai – horizontai. Juose yra specialus indas su skystu metalu, kurio paviršius tarnauja kaip veidrodis stebint erdvę. Taip pat gyvsidabrio panaudojimas šiuolaikinėje pramonėje pasireiškia įvairių pertraukiklių ir termometrų gamyboje.
Daugelyje medicinos šakų naudojamos gyvsidabrio-kvarco lempos, kurios švitina ultravioletiniai spinduliai. Taip pat nepakeičiamas medicinos įrankis yra gerai žinomas termometras kūno temperatūrai matuoti.
Kiek kainuoja gyvsidabris: kaina pasaulinėje rinkoje
Gyvsidabrio kaina formuojama pagal tą patį principą kaip ir kitų metalų. Taigi šio mineralo kaina priklauso nuo tiekimo apimties ir siūlomo gyvsidabrio grynumo. Per pastaruosius šešis mėnesius gyvsidabrio kaina labai sumažėjo. Taigi, jei jo vidutinė kaina 2014 metų pabaigoje buvo 75 JAV doleriai/kg, tai 2015 metų kovą – 55 JAV doleriai/kg. Tačiau laisvai nusipirkti skysto metalo beveik neįmanoma, nes gyvsidabris yra chemiškai pavojinga medžiaga. Netgi už išsiliejusio gyvsidabrio utilizavimą reikia sumokėti tam tikrą sumą.
Gaminių, kuriuose yra gyvsidabrio, kaina priklauso nuo sunaudoto metalo kiekio ir kitų gamybos sąnaudų. Pavyzdžiui, gyvsidabrio termometras yra labai pigus. Kaina vaistinėse svyruoja nuo 25 iki 50 rublių.
Gyvsidabrio pavojai sveikatai
Nepaisant plačiai paplitusio gyvsidabrio naudojimo pramonėje, jis laikomas gana pavojingu cheminis. Pagal žalos gyvybei ir sveikatai kriterijus gyvsidabris priklauso pirmajai pavojingumo klasei. Gyvsidabris dažniausiai patenka į organizmą įkvėpdamas jo bekvapius garus. Didžiausią pavojų kelia gyvsidabrio garai.
Poveikio pakanka stipriam apsinuodijimui ir sveikatos sutrikimams sukelti. mažas kiekis mineralinis. Toksiškumo metu didžiausiu mastu pažeidžiami plaučiai, inkstai, imuninė, nervų, virškinimo sistemos, akys ir oda.
Atsižvelgiant į apsinuodijimo priežastis ir pobūdį, išskiriamos lengvos, ūminės ir lėtinės formos. Lengvas toksiškumas atsiranda dėl apsinuodijimo maistu. Po nelaimingų atsitikimų chemijos pramonės įmonėse ar dėl saugos pažeidimų atsiranda ūmi apsinuodijimo forma. Tokiu atveju paciento protinis aktyvumas sumažėja, išsekimas, traukuliai, regėjimo praradimas, nuplikimas ir net visiškas paralyžius. Sunkiais atvejais gali pasireikšti ūmus apsinuodijimas mirtina baigtis. Lėtinis apsinuodijimas išsivysto dėl nuolatinio kontakto su gyvsidabriu ir gali pasireikšti ilgą laiką nustojus su juo dirbti. Šia patologijos forma sergantiems žmonėms padidėja rizika susirgti hipertenzija, tuberkulioze ir ateroskleroze. Pasitaiko atvejų, kai lėtinis toksiškumas sukelia psichikos sutrikimus.
Nėščios moterys turėtų būti ypač atsargios tvarkydamos gyvsidabrio prietaisus. Gyvsidabrio garai kelia didelę grėsmę vaisiaus vystymuisi. Jei namuose yra vaikų, įprastus gyvsidabrio termometrus geriau pakeisti elektroniniais.
Gyvsidabrio turinčių atliekų šalinimas
Plačiai paplitęs gyvsidabrio naudojimas prisideda prie didelės jo garų koncentracijos atmosferoje didieji miestai. Šiais laikais visur naudojamos liuminescencinės lempos, kuriose yra nuo 30 iki 300 mg skysto metalo. O kai kuriose lempose jo kelis kartus daugiau. Remiantis statistika, kasmet apie 100 milijonų šių lempų tampa netinkamos naudoti ir jas reikia perdirbti. Tik nedidelė jų dalis yra specialiai perdirbama, o likusi dalis nedelsiant siunčiama į sąvartyną, kur dėl stiklo vientisumo sunaikinimo gyvsidabris patenka į atmosferą.
Be to, gyvsidabris naudojamas gaminant baterijas ir baterijas, kurios paprastai nėra perdirbamos. Tokiu būdu per metus į sąvartynus patenka apie 40 tonų gyvsidabrio. Šis skaičius yra labai didelis, todėl gyvsidabrio turinčių daiktų išmetimo problema yra labai opi. nekontroliuojamas gyvsidabrio atliekų tvarkymas, neatsakingas požiūris prietaisams, kuriuose yra šio skysto metalo, kelia grėsmę žmonių sveikatai ir gyvybei. Visi žino, kokių bėdų gali sukelti įprastas gyvsidabrio termometras. Netinkamo jo tvarkymo kaina gali kainuoti net gyvybę.
Dabar visų šalių vyriausybės sprendžia gyvsidabrio turinčių atliekų perdirbimo klausimą. Tam yra kuriamos specialios įmonės, kurios surenka netinkamus naudoti instrumentus ir gyvsidabrio daiktus. Jie išskiria juos į komponentus (pagrindas, stiklą, metalą) ir apdoroja. Iš kiekvienos rūšies atliekų formuojami blokai, kurie supakuojami į specialius konteinerius (dangčius, plastikinius maišelius, skardines) ir pristatomi į perdirbimo aikštelę.
Chaotiškas laidininko atomų judėjimas neleidžia praeiti elektros srovei. Laidininko varža mažėja mažėjant temperatūrai. Toliau mažėjant laidininko temperatūrai, pastebimas visiškas pasipriešinimo sumažėjimas ir superlaidumo reiškinys.
Esant tam tikrai temperatūrai (arti 0 oK) laidininko varža smarkiai sumažėja iki nulio. Šis reiškinys vadinamas superlaidumu. Tačiau superlaidininkuose stebimas ir kitas reiškinys – Meisnerio efektas. Superlaidžios būsenos laidininkai turi neįprastą savybę. Magnetinis laukas yra visiškai išstumtas iš superlaidininko tūrio.
Magnetinio lauko poslinkis superlaidininku.
Superlaidžios būsenos laidininkas, priešingai nei idealus laidininkas, elgiasi kaip diamagnetinė medžiaga. Išorinis magnetinis laukas yra išstumtas iš superlaidininko tūrio. Tada, jei uždėsite magnetą virš superlaidininko, magnetas kabo ore.
Šis efektas atsiranda dėl to, kad superlaidininką įvedant į magnetinį lauką, jame atsiranda sūkurinės indukcijos srovės, kurių magnetinis laukas visiškai kompensuoja išorinį lauką (kaip ir bet kurioje diamagnetinėje medžiagoje). Tačiau pats indukuotas magnetinis laukas taip pat sukuria sūkurines sroves, kurių kryptis yra priešinga indukcinėms srovėms ir yra vienodo dydžio. Dėl to superlaidininko tūryje nėra magnetinio lauko ar srovės. Superlaidininko tūrį ekranuoja plonas paviršinis sluoksnis - odos sluoksnis - į kurio storį (apie 10-7-10-8 m) prasiskverbia magnetinis laukas ir kuriame vyksta jo kompensacija.
A- į magnetinį lauką įvedamas normalus laidininkas, kurio varža nėra nulinė bet kurioje temperatūroje (1). Pagal įstatymą elektromagnetinė indukcija atsiranda srovės, kurios priešinasi magnetinio lauko prasiskverbimui į metalą (2). Tačiau jei pasipriešinimas yra ne nulis, jie greitai suyra. Magnetinis laukas prasiskverbia į normalaus metalo pavyzdį ir yra beveik vienodas (3);
b- iš normalios būsenos aukštesnėje temperatūroje T c yra du būdai: Pirma: temperatūrai nukritus, mėginys pereina į superlaidžią būseną, tada gali būti taikomas magnetinis laukas, kuris išstumiamas iš mėginio. Antra: pirmiausia pritaikykite magnetinį lauką, kuris prasiskverbia į mėginį, tada sumažinkite temperatūrą, tada laukas bus išstumtas perėjimo metu. Išjungus magnetinį lauką gaunamas toks pat vaizdas;
V- jei nebūtų Meisnerio efekto, laidininkas be pasipriešinimo elgtųsi kitaip. Pereinant į būseną be pasipriešinimo magnetiniame lauke, jis išlaikytų magnetinį lauką ir išlaikytų jį net pašalinus išorinį magnetinį lauką. Išmagnetinti tokį magnetą būtų galima tik padidinus temperatūrą. Tačiau šis elgesys nebuvo pastebėtas eksperimentiškai.
Superlaidumas
Superlaidumas- kai kurių medžiagų savybė turėti griežtai nulis elektrinė varža, kai jos pasiekia temperatūrą, žemesnę už tam tikrą vertę (kritinę temperatūrą). Yra žinomos kelios dešimtys grynų elementų, lydinių ir keramikos, kurios virsta superlaidžia būsena. Superlaidumas yra kvantinis reiškinys. Jam taip pat būdingas Meissnerio efektas, kurį sudaro visiškas magnetinio lauko poslinkis nuo superlaidininko tūrio. Šio efekto egzistavimas rodo, kad superlaidumo negalima apibūdinti tiesiog kaip tobulas laidumas klasikine prasme.
1893 metais olandų fizikas Heike Kamerlingh Onnes pradėjo tyrinėti itin žemos temperatūros problemą. Jam pavyko sukurti geriausią kriogeninę laboratoriją pasaulyje, kurioje 1908 metų liepos 10 dieną gavo skysto helio. Vėliau jam pavyko pakelti temperatūrą iki 1 kelvino. Kamerlingh Onnes naudojo skystą helią metalų savybėms tirti, ypač jų elektrinės varžos priklausomybei nuo temperatūros išmatuoti. Pagal tuomet egzistuojantį klasikines teorijas, varža turėjo sklandžiai kristi mažėjant temperatūrai, tačiau buvo ir nuomonė, kad esant per žemai temperatūrai elektronai praktiškai sustos ir išvis nustos vesti srovę. Kamerlingho Onneso su savo padėjėjais Cornelis Dorsman ir Gilles Holst atlikti eksperimentai iš pradžių patvirtino išvadą apie sklandų pasipriešinimo sumažėjimą. Tačiau 1911 m. balandžio 8 d. jis netikėtai atrado, kad esant 3 kelvinams (apie –270 °C) elektrinė varža praktiškai lygi nuliui. Kitas eksperimentas, atliktas gegužės 11 d., parodė, kad staigus pasipriešinimo šuolis iki nulio įvyksta esant maždaug 4,2 K temperatūrai (vėliau, tikslesni matavimai parodė, kad ši temperatūra yra 4,15 K). Šis poveikis buvo visiškai netikėtas ir negalėjo būti paaiškintas tuo metu egzistuojančiomis teorijomis.
Nulinė varža nėra vienintelis skiriamasis superlaidininkų bruožas. Vienas pagrindinių superlaidininkų ir idealių laidininkų skirtumų yra Meisnerio efektas, kurį 1933 metais atrado Walteris Meissneris ir Robertas Ochsenfeldas.
Vėliau buvo išsiaiškinta, kad superlaidininkai skirstomi į dvi dideles šeimas: I tipo superlaidininkus (kurie visų pirma apima gyvsidabrį) ir II tipo (dažniausiai lydiniai). skirtingi metalai). Atrandant II tipo superlaidumą, reikšmingas vaidmuo teko L. V. Šubnikovo 1930-aisiais ir A. A. Abrikosovo 1950-aisiais darbais.
Už praktinis pritaikymas galinguose elektromagnetuose puiki vertėšeštajame dešimtmetyje atrado superlaidininkus, galinčius atlaikyti stiprius magnetinius laukus ir nešti didelius srovės tankius. Taip 1960 m., vadovaujant J. Künzleriui, buvo atrasta Nb 3 Sn medžiaga, iš kurios 4,2 K temperatūroje gali praleisti iki 100 kA/cm² tankio srovę. 8,8 T magnetinis laukas.
Superlaidininkų savybės
Nulinė elektros varža
Superlaidininkai aukšto dažnio lauke
Griežtai kalbant, teiginys, kad superlaidininkų varža lygi nuliui, galioja tik nuolatinei elektros srovei. Kintamajame elektriniame lauke superlaidininko varža nėra lygi nuliui ir didėja didėjant lauko dažniui. Šis efektas, kalbant apie superlaidininko dviejų skysčių modelį, paaiškinamas tuo, kad kartu su superlaidžia elektronų dalimi yra ir paprastų elektronų, kurių skaičius yra mažas. Kai superlaidininkas dedamas į pastovų lauką, šis laukas superlaidininko viduje tampa nuliu, nes kitaip superlaidieji elektronai įsibėgėtų iki begalybės, o tai neįmanoma. Tačiau tuo atveju kintamasis laukas superlaidininko viduje esantis laukas yra nulinis ir, be kita ko, pagreitina normalius elektronus, su kuriais siejama ir baigtinė elektrinė varža, ir Džaulio šiluminiai nuostoliai. Šis efektas Jis ypač ryškus tiems šviesos dažniams, kuriems kvantinės energijos pakanka superlaidžiam elektronui perkelti į normalių elektronų grupę. Šis dažnis dažniausiai yra infraraudonųjų spindulių srityje (apie 10 11 Hz), todėl matomame diapazone superlaidininkai praktiškai nesiskiria nuo įprastų metalų.
Fazinis perėjimas į superlaidžią būseną
Šilumos talpos kitimo pobūdis (c v, mėlynas grafikas) ir varža(ρ, žalia), fazės perėjimo į superlaidžią būseną metu
Grynų mėginių perėjimo į superlaidžią būseną temperatūros diapazonas neviršija tūkstantųjų kelvinų, todėl tam tikra vertė yra prasminga T s- perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra. Šis kiekis vadinamas kritinė pereinamoji temperatūra. Pereinamojo intervalo plotis priklauso nuo metalo nevienalytiškumo, pirmiausia nuo priemaišų buvimo ir vidinius įtempius. Dabartinės žinomos temperatūros T s svyruoja nuo 0,0005 K magnio (Mg) iki 23,2 K tarpmetalinio niobio ir germanio junginio (Nb 3 Ge, plėvelėje) ir 39 K magnio diborido (2) žemos temperatūros superlaidininkams ( T sžemiau 77 K, virimo temperatūra skysto azoto), iki maždaug 135 K gyvsidabrio turintiems aukštos temperatūros superlaidininkams. Šiuo metu HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) fazė turi didžiausią žinoma vertė kritinė temperatūra - 135 K, o esant išoriniam slėgiui 350 tūkstančių atmosferų, pereinamoji temperatūra pakyla iki 164 K, tai yra tik 19 K žemesnė minimali temperatūra, registruotas gamtinės sąlygosŽemės paviršiuje. Taigi superlaidininkai savo kūrime tapo nuo metalinio gyvsidabrio (4,15 K) iki gyvsidabrio turinčių aukštos temperatūros superlaidininkų (164 K).
Medžiagos perėjimą į superlaidžią būseną lydi jos šiluminių savybių pasikeitimas. Tačiau šis pokytis priklauso nuo aptariamų superlaidininkų tipo. Taigi I tipo superlaidininkams, kai nėra magnetinio lauko pereinamojoje temperatūroje T c perėjimo (absorbcijos arba išsiskyrimo) šiluma nukrenta iki nulio, todėl patiria šilumos talpos šuolį, būdingą ΙΙ eilės faziniam perėjimui. Ši superlaidininko elektroninio posistemio šiluminės talpos priklausomybė nuo temperatūros rodo, kad elektronų pasiskirstyme tarp superlaidininko pagrindinės būsenos ir elementarių sužadinimo lygio yra energijos tarpas. Kai pereinama iš superlaidžios būsenos į normalią būseną keičiant taikomą magnetinį lauką, tada šiluma turi būti sugerta (pavyzdžiui, jei mėginys yra termiškai izoliuotas, tada jo temperatūra mažėja). Ir tai atitinka 1 eilės fazių perėjimą. II tipo superlaidininkams bet kokiomis sąlygomis pereinama iš superlaidumo į normalią būseną fazių perėjimas Aš malonus.
Meisnerio efektas
Dar daugiau svarbus turtas superlaidininką nei nulinė elektrinė varža yra vadinamasis Meisnerio efektas, kurį sudaro superlaidininko magnetinio srauto išstūmimas. Iš šito eksperimentinis stebėjimas daroma išvada, kad superlaidininko viduje yra neslopinamų srovių, kurios sukuria vidinį magnetinį lauką, priešingą išoriniam taikomam magnetiniam laukui ir jį kompensuoja.
Izotopinis poveikis
Izotopinis poveikis superlaidininkams yra ta temperatūra T s atvirkščiai proporcingas kvadratinės šaknys iš atominės masės to paties superlaidaus elemento izotopų.
Londono akimirka
Besisukantis superlaidininkas sukuria magnetinį lauką, tiksliai suderintą su sukimosi ašimi magnetinis momentas vadinama „Londono akimirka“. Visų pirma jis buvo naudojamas moksliniame palydove „Gravity Probe B“, kur buvo išmatuoti keturių superlaidžių giroskopų magnetiniai laukai, siekiant nustatyti jų sukimosi ašis. Kadangi giroskopų rotoriai buvo beveik idealiai lygios sferos, Londono momento naudojimas buvo vienas iš nedaugelio būdų nustatyti jų sukimosi ašį.
Teorinis superlaidumo efekto paaiškinimas
Jau gana ankstyvame superlaidumo tyrimo etape, bent jau sukūrus Ginzburgo-Landau teoriją, tapo akivaizdu, kad superlaidumas yra makroskopinio laidumo elektronų skaičiaus susijungimo į vieną kvantinę mechaninę būseną pasekmė. Tokiame ansamblyje surištų elektronų ypatumas yra tas, kad jie negali keistis energijos su gardelėmis mažomis porcijomis, mažesnėmis nei jų surišimo energija ansamblyje. Tai reiškia, kad kai elektronai juda kristalinė gardelė Elektronų energija nesikeičia, o medžiaga elgiasi kaip superlaidininkas, kurio varža nulinė. Kvantinė mechaninė analizė rodo, kad nevyksta sklaida elektronų bangos dėl gardelės ar priemaišų šiluminių virpesių. Ir tai reiškia, kad nėra elektros varžos. Toks dalelių derinys fermionų ansamblyje neįmanomas. Jis būdingas identiškų bozonų ansambliui. Tai, kad elektronai superlaidininkuose yra sujungti į bozonines poras, išplaukia iš eksperimentų, kuriais matuojamas tuščiaviduriuose superlaidžiuose cilindruose „užšaldyto“ magnetinio srauto kvanto dydis. Todėl jau praėjusio amžiaus viduryje pagrindinis uždavinys kuriant superlaidumo teoriją buvo elektronų poravimosi mechanizmo sukūrimas. Pirmoji teorija, pretenduojanti pateikti mikroskopinį superlaidumo priežasčių paaiškinimą, buvo Bardeen-Cooper-Schrieffer teorija, kurią jie sukūrė praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje. Ši teorija gavo visuotinį pripažinimą pavadinimu BCS ir buvo apdovanota Nobelio premija 1972 m. Kurdami savo teoriją, autoriai rėmėsi izotopų efektu, tai yra izotopo masės įtaka kritinei superlaidininko temperatūrai. Buvo manoma, kad jo egzistavimas tiesiogiai rodo superlaidžios būsenos susidarymą dėl fonono mechanizmo veikimo.
BCS teorija paliko neatsakytus klausimus. Remiantis tuo, nuspręsti buvo neįmanoma pagrindinė užduotis- paaiškinti, kodėl tam tikri superlaidininkai turi tam tikrą kritinę temperatūrą. Be to, tolesni eksperimentai su izotopų pakaitalais parodė, kad dėl metalų nulinio taško jonų virpesių neharmoniškumo jonų masė tiesiogiai veikia tarpjoninius atstumus gardelėje, taigi ir tiesiogiai Fermio energiją. metalas. Todėl tapo aišku, kad izotopinio efekto egzistavimas nėra fonono mechanizmo, kaip vienintelio galimo atsakingo už elektronų poravimąsi ir superlaidumo atsiradimą, įrodymas. Nepasitenkinimo BCS teorija yra daugiau vėlesniais metais paskatino bandymus sukurti kitus modelius, pavyzdžiui, sukimosi svyravimų modelį ir bipolinį modelį. Tačiau, nors jie svarstė įvairius elektronų sujungimo į poras mechanizmus, šie pokyčiai taip pat nepadėjo suprasti superlaidumo reiškinio.
Apskaičiuotų verčių palyginimas kritinės temperatūros superlaidininkai su matavimo duomenimis.
Remiantis viena iš naujausių B. V. Vasiljevo pasiūlytų teorijų, elektronų poravimas yra būtina, bet nepakankama superlaidžios būsenos egzistavimo sąlyga. Be to, koks konkretus mechanizmas lemia tokį susiejimą, nėra taip svarbu. Svarbu, kad toks mechanizmas egzistuotų ir veiktų visame temperatūros diapazone, kuriame yra superlaidumo būsena.
To priežastis paaiškinama taip: jungdamiesi į poras elektronai sukuria bozonus, kurie nesusijungia į vieną identišką ansamblį. Jie išsiskiria nekoreliuotais nuliniais svyravimais. Kad bozonai pereitų į identišką būseną, būtina nustatyti jų nulinio taško virpesius. Dėl šios priežasties parametrai, apibūdinantys nulinio taško virpesių išdėstymo mechanizmą elektronų dujos, pasirodo esąs lemiamos superlaidininkų savybėms.
Superlaidumo taikymas
Didelė pažanga padaryta siekiant aukštatemperatūrinio superlaidumo. Remiantis metalo keramika, pavyzdžiui, sudėtimi YBa 2 Cu 3 O x , buvo gautos medžiagos, kurių temperatūra T c perėjimas į superlaidžią būseną viršija 77 K (azoto suskystinimo temperatūra).
Superlaidumo reiškinys naudojamas stipriems magnetiniams laukams sukurti, nes kai stiprios srovės praeina per superlaidininką ir sukuria stiprius magnetinius laukus, šilumos nuostoliai nėra. Tačiau dėl to, kad magnetinis laukas ardo superlaidumo būseną, stipriems magnetiniams laukams gauti naudojami vadinamieji magnetiniai laukai. II tipo superlaidininkai, kuriuose galimas superlaidumo ir magnetinio lauko sambūvis. Tokiuose superlaidininkuose magnetinis laukas sukelia plonų įprasto metalo siūlų, prasiskverbiančių į mėginį, atsiradimą, kurių kiekvienas turi magnetinio srauto kvantą. Medžiaga tarp gijų išlieka superlaidži. Kadangi II tipo superlaidininke nėra visiško Meissnerio efekto, superlaidumas egzistuoja iki daug didesnių magnetinio lauko verčių. H c 2. Technologijoje daugiausia naudojami šie superlaidininkai:
Taip pat žr
- Superlaidumas ir nulinio taško svyravimai
Pastabos
- Dirkas van Delftas ir Peteris Kes Superlaidumo atradimas (anglų k.) // Fizika šiandien. - 2010. - T. 63. - 38-43 p.
- Aleksejus Levinas Superlaidumas švenčia savo šimtmetį. Elements.ru (2011 m. balandžio 8 d.). Suarchyvuota nuo originalo 2011 m. rugpjūčio 23 d. Gauta 2011 m. balandžio 8 d.
- V. L. Ginzburgas, E. A. Andryušinas 1 skyrius. Superlaidumo atradimas // Superlaidumas ISBN 5-98281-088-6
- V. L. Ginzburgas, E. A. Andryušinas 5 skyrius. Superlaidumo žvaigždė // Superlaidumas. - 2-asis leidimas, pataisytas ir išplėstas. - Alfa-M, 2006. - 112 p. – 3000 egzempliorių.
