La découverte de la supraconductivité

L'hélium a été liquéfié en 1908 par Heike Kamerlingh Onnes à l'Université de Leiden, et à partir de ce moment-là, il est devenu possible d'étudier les phénomènes physiques à des températures de quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu (le point d'hélium d'ébullition à la pression atmosphérique 4,2 K).

L'un des domaines de recherche en question en fonction de la résistance thermique des métaux. Kamerlingh Onnes avait déjà mené des études similaires à des températures décroissantes jusqu'à ce que la température (environ 80 K) liquide.

Pour plusieurs métaux purs, il a trouvé la relation à peu près linéaire, mais il se trouve qu'une telle relation ne peut pas continuer indéfiniment, car sinon la résistance serait négatif au zéro absolu. Sir James Dewar a poursuivi la recherche Kamerlingh Onnes et a atteint la température de l'hydrogène liquide (20 K), alors qu'il a été constaté que la résistance commence vraiment à diminuer lentement.

Il est à prévoir, non seulement pour la raison déjà nommé, mais aussi sur la base de la réception tandis que la perception des métaux et de leurs propriétés.

On a cru que la conductivité électrique est réalisée par transfert d'électrons, et la résistance est le résultat de collisions des électrons avec les atomes de métal.

La nature linéaire de la réduction de la résistance est tout à fait compatible avec les changements prévus dans le mouvement des électrons à basse température. Il était prévu, cependant, que, à des températures suffisamment basses, les électrons "condensation" sur des atomes, la résistance à toute température doit être réduite, puis le métal doit se déplacer dans le diélectrique.

Le comportement observé des métaux dans la réalité était très différente de celle attendue. Kamerlingh Onnes a découvert que la température diminue la résistance de la plupart des métaux ont tendance à une valeur constante, tandis que certains métaux, il disparaît complètement quand une caractéristique, la température spécifique, ce qui, comme il est avéré, dépend de l'intensité du champ magnétique. Ces expériences sont parmi les œuvres pour lesquelles Kamerlingh Onnes a reçu le prix Nobel 1913 en physique.

Depuis plus de deux décennies, est la disparition de la résistance a été considérée comme une caractéristique majeure de la supraconductivité. Toutefois, plusieurs caractéristiques de ce phénomène a conduit les scientifiques à confusion.

Ainsi, si le champ magnétique est appliqué à un conducteur normal (non ferromagnétique), une partie du flux magnétique traverse l'épaisseur du conducteur. Si vous attachez à un conducteur idéal, les derniers courants de surface induits, qui créent un champ magnétique à l'intérieur du conducteur, compensant pleinement le champ externe appliquée et soutenir ainsi le conducteur à l'intérieur de la valeur zéro du flux magnétique.

Cela signifie que l'état d'un conducteur dans un champ magnétique dépend de la manière dont cette condition a été atteinte - une situation très désagréable.

Plus tard, en 1933, W. Meissner, R. et F. Ochsenfeld Haydenreyh ont montré que le métal devient supraconducteur, en fait, pousse le flux magnétique lorsque la température descend en dessous d'une valeur critique, lorsque l'échantillon se trouve dans un champ magnétique.

La prochaine étape de la recherche était d'étudier l'état nouvellement ouvert à des courants importants. La nécessité de ces études a été dicté par les circonstances suivantes: si la résistance est pas réellement égaux à zéro, alors plus de courant se traduirait par une plus grande et donc plus facilement détectables et la valeur de la différence de potentiel.

Cependant, les résultats ne plus confondre la situation, parce qu'il y avait «un phénomène particulier: à toute température au-dessous de 4,18 K pour le filament de mercure enfermé dans un capillaire de verre, il y avait une sorte de seuil densité de courant au-dessus duquel la nature du phénomène grandement changé. A des densités de courant inférieures le courant électrique circule de seuil sans aucune différence significative potentiels appliqués aux extrémités du fil. Ceci a indiqué que le fil n'a pas la résistance.

Dès que la densité de courant est supérieure à la valeur de seuil, il y a une différence de potentiel, qui a également augmenté plus rapidement que le courant lui-même ». Ensuite, une série d'expériences a été créé dans le but de trouver une explication du nouvel effet. Tout d'abord, il a été observé que le courant de seuil augmente avec la densité diminution de la température - à peu près proportionnellement à la déviation par rapport à la température de transition à l'état supraconducteur (à condition que la différence entre les températures ne sont pas trop grande). se pose naturellement supposer qu'en raison de l'échauffement provoqué un certain effet, la température de mercure a augmenté au-dessus du point de transition. pour trouver la source de chaleur - était une tâche.

En utilisant différentes configurations de filaments de mercure, on a constaté que la chaleur n'a pas laissé l'extérieur. Elle a considéré l'influence des impuretés dans le mercure, bien qu'ils soient dans le processus de distillation a dû être retiré; Des expériences ont montré que l'effet de chauffage ne soit pas associé à des impuretés, spécialement ajouté en des quantités appropriées.

Il a en outre suggéré que peut avoir un contact avec un guide-fil de mercure conventionnel, sous quelque forme est rendu dans son ou formé en son sein, est en mesure d'annuler les propriétés supraconductrices de mercure. Pour tester le capillaire en acier a été prise, mais cela n'a pas abouti à des résultats précis, et que plus tard, à la suite d'expérimentations sur le même type d'étain, cette hypothèse a été exclue. En général, les expériences avec le mercure n'a pas répondu à la question.

Toutefois, comme indiqué Kamerlingh Onnes, le mercure n'a pas été l'objet tout à fait approprié pour la recherche systématique. "L'effet combiné de plusieurs facteurs a conduit à des difficultés de manipulation de mercure dans les capillaires.

expérience Jour d'hélium liquide nécessaire immense préparation, et quand il est venu immédiatement avant les expériences décrites ici, seulement quelques heures qui leur est laissée. Pour que ces conditions d'effectuer des mesures précises à l'hélium liquide, il est nécessaire de déterminer à l'avance le programme rapidement et méthodiquement l'exécuter dans la journée de l'expérience. Les changements dans le contexte expérimental, la nécessité de ce qui provoque des phénomènes observés, ont généralement faire le lendemain.

Souvent, en raison d'un retard causé par le processus de fabrication de la résistance de main-d'œuvre, l'usine d'hélium a été utilisé à d'autres fins. Lorsque nous avons pu à nouveau faire l'expérience, il est arrivé que la résistance fait avéré inutile, puisque le gel de fil de mercure déchiré, et tous nos efforts deviennent inutiles. Dans ces circonstances, afin de détecter et d'éliminer les sources d'interférence inattendue et trompeuse, il a fallu un temps très long.

En outre, il est souhaitable de refroidir l'échantillon n'a pas à travers la paroi capillaire, et par son contact direct avec l'hélium liquide. Par conséquent, lorsque Kamerling Onnes découvert que l'étain et le plomb ont des propriétés semblables aux propriétés du mercure, il poursuit les expériences avec ces deux métaux. Il a ensuite posé le problème a été résolu.

En fait, l'espoir de sa solution a émergé dans des expériences dans lesquelles le plomb a été découvert supraconductivité. De cela, il peut être fabriqué facilement le fil, et a été fait un assez grand nombre de fils avec une section de 70 mm2. Pour un seul fil de cette taille le seuil de courant à 4,25 K était de 8 A. De plus, ce fil sur un diamètre de coeur de 1 cm a été enroulé 1 bobine cm contenant 1000 tours. l'isolation d'enroulement avait une soie qui est mouillé par de l'hélium liquide. En fait, la valeur de seuil de courant est seulement 0,8 A.

En 1913, l'intérêt pour l'obtention de forts champs magnétiques était déjà assez grand, et il ne fait aucun doute que le principal problème est lié à la dissipation de puissance dans les enroulements. Par exemple, Perrin suggéré pour être utilisé pour refroidir l'air liquide; il est prévu que, en réduisant la résistance de l'enroulement avec une température décroissante diminue la quantité de chaleur générée dans ce qui donne un avantage certain.

Les calculs ont montré, cependant, que de cette manière ne gagnera pas atteint est principalement due au fait que très difficile à réaliser le transfert de chaleur nécessaire entre la bobine et l'attente d'un refroidisseur compact. Kamerliig-Onies correctement évalué la possibilité d'utiliser des supraconducteurs à cet effet, attirant l'attention sur le fait que la chaleur qu'ils ne devraient même pas se tenir debout. En parlant de cela, il a toutefois admis la "possibilité que le champ magnétique peut conduire à l'apparition d'une résistance dans le supraconducteur." Et il a commencé à étudier cette question.

«Il y avait des raisons de croire que cet effet sera faible. La preuve directe que dans les supraconducteurs sous l'influence du champ magnétique se produit seulement une légère résistance a été obtenue quand on a constaté que la bobine décrite ci-dessus reste supraconducteur, même si elle passe par un courant de 0,8 A. La bobine de champ lui-même atteint dans ce cas, quelques centaines de gauss et dans l'ordre de grandeur de ce qu'il était une grande partie de tours, mais pas de résistance n'a été observée. " Par conséquent Kamerlingh Onnes a créé une configuration pour ces expériences, ce qui permettrait d'étudier les phénomènes observés que dans l'ordre des champs kG.

Les résultats ont été surprenants à nouveau. Le fil de la bobine supraconductrice qui a été utilisé dans les expériences précédentes, on a placé dans un cryostat, de sorte que les spires plan parallèle au champ magnétique.

"Tout d'abord, nous nous assurons que la bobine est supraconducteur à l'hélium ébullition; il reste supraconducteur même lorsqu'il est passé au travers de courant 0,4 A, bien que les spires sont sensiblement champ magnétique généré par l'écoulement d'un courant en eux.

Ensuite, le champ magnétique a été appliqué. Lorsque la valeur d'un champ de 10 kG il y avait une résistance considérable, il était un peu plus petit à 5 kgf. Ces expériences ont montré de façon convaincante que le champ magnétique à haute intensité provoque une résistance dans les supraconducteurs, et avec un petit - pas. Au cours des recherches plus approfondies est la dépendance de la résistance du terrain.

Kamerlingh Onnes était pas encore prêt à faire en sorte que l'associé de courant critique avec la valeur critique du champ magnétique. Il ne doute pas que le phénomène est dû à l'apparition soudaine à une certaine température résistance normale dans les supraconducteurs ouvrir ici - cette relation trouvée par d'autres chercheurs. Néanmoins, il est possible de supposer que la fondation posée.

Au fil du temps, cependant, le paradoxe décrit au début de ce chapitre, est devenu très évident. Un petit changement dans le libellé a encore renforcé ce. Si la substance est dans un champ magnétique, a dû se déplacer dans un état parfaitement conducteur lorsque la température est abaissée, le flux magnétique échantillon pénétrant au moment de la transition devrait rester «gelé» en elle et rester dans le champ suivant est éteint (si la température est ainsi maintenue constante) .

Ayant ainsi préparé divers échantillons pourraient créer beaucoup (en principe infinie) des états différents qui existent dans les mêmes conditions extérieures, ce qui pourrait peut-être même être en contact thermique avec l'autre, à savoir. E. Dans un état d'équilibre.

Jusqu'en 1933, cette possibilité n'a pas été démentie par l'expérience, et quelques expériences semblait même confirmé. Il y avait même des arguments théoriques en sa faveur. À ce stade, Meisner, l'étude de la transition vers l'état supraconducteur, a été frappé par l'apparition d'une sorte d'hystérésis: un seul cristal d'étain retour à l'état normal se produit à une température légèrement supérieure à la température de transition à l'état supraconducteur.

Cet effet a été observé même lorsque la résistance à chaque point a été mesuré par deux directions actuelles, spécialement conçus pour éviter les effets thermoélectriques, si la direction actuelle ne change pas, l'effet est amplifié. Hystérèse donne à penser que ce phénomène est dû à un changement de la perméabilité de l'échantillon.

Meisner a écrit au sujet de cette façon: «Si la distribution du courant mesuré et le champ magnétique créé par lui n'a pas changé, il n'y aurait pas de raison de l'apparition de phénomènes d'hystérésis." Ainsi, lui et ses collègues a suggéré que la perméabilité diminue à zéro. Si elle n'a jamais eu lieu, aucune ligne de champ de force ne pouvait pas venir à une extrémité sur la surface intérieure de la cavité supraconductrice, alors que les expériences montrent clairement que la situation est la suivante.

Il a fallu de nombreuses années avant qu'il ne soit en mesure de créer une théorie satisfaisante de la supraconductivité; en substance, cette question n'a pas été définitivement résolu, même en 1972. Cependant, la découverte de la Meissner au moins possible de donner une interprétation satisfaisante des phénomènes macroscopiques observés.

J. Trigg "Physique du XXe siècle: Les expériences clés."