Die Entdeckung der Supraleitung

Helium wurde zum ersten Mal 1908 von Heike Kamerlingh Onnes in Leiden University verflüssigt, und von dieser Zeit wurde es möglich, die physikalischen Phänomene bei Temperaturen zu untersuchen nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt (dem Siedepunkt von Helium bei Normaldruck 4,2 K).

Einer der Forschungsschwerpunkte in Abhängigkeit von der Temperaturbeständigkeit von Metallen betroffen. Kamerlingh Onnes hatte bereits ähnliche Untersuchungen bei Temperaturen bis der Flüssigkeitstemperatur (etwa 80 K) Abnahme durchgeführt.

Für mehrere reine Metalle, fand er in etwa lineare Beziehung, aber es wird festgestellt, dass eine solche Beziehung nicht unbegrenzt fortgesetzt werden kann, da sonst der Widerstand am absoluten Nullpunkt negativ sein. Sir James Dewar weitere Forschung Kamerlingh Onnes und erreichte die Temperatur von flüssigem Wasserstoff (20 K), während festgestellt wurde, daß der Widerstand sehr langsam abzufallen beginnt.

Es ist zu erwarten, nicht nur aus dem Grund, bereits genannt, aber auch auf der Basis der empfangenen, während die Wahrnehmung von Metallen und deren Eigenschaften.

Es wurde angenommen, dass die elektrische Leitfähigkeit durch Übertragung von Elektronen realisiert wird, und der Widerstand ist das Ergebnis von Kollisionen der Elektronen mit den Metallatomen.

Der lineare Charakter des Widerstandsreduktion ist ganz mit der erwarteten Änderung in der Bewegung der Elektronen bei tiefen Temperaturen konsistent. Es war jedoch zu erwarten, daß bei ausreichend niedrigen Temperaturen, Elektronen auf Atome "Kondensieren", so ist der Widerstand bei jeder Temperatur sollte minimiert werden, und dann sollte das Metall in das Dielektrikum bewegen.

Das beobachtete Verhalten von Metallen in Wirklichkeit sehr verschieden von der erwartet. Kamerlingh Onnes entdeckt, dass die Temperatur nimmt der Widerstand der meisten Metalle neigt dazu, einen konstanten Wert, während einige Metalle es vollständig verschwindet, wenn eine bestimmte, charakteristische, die Temperatur, die, wie sich herausstellte, von der Intensität des Magnetfelds abhängt. Diese Experimente gehören zu den Arbeiten, für die Kamerlingh Onnes 1913 den Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist das Verschwinden des Widerstands ein Hauptmerkmal der Supraleitung angesehen wurde. Doch einige Merkmale dieses Phänomen führte Wissenschaftler in Verwirrung.

Somit wird, wenn das Magnetfeld an einen normalen Leiter angelegt wird (nicht ferromagnetisch), ein Teil des Magnetflusses geht durch die Dicke des Leiters. Wenn man es zu einem idealen Leiter befestigen, wobei die letzteren induzierte Oberflächenströme, die ein magnetisches Feld innerhalb des Leiters erzeugen, Kompensieren vollständig die angelegte externe Feld und somit den Leiter innerhalb der Nullwert des Magnetflusses zu unterstützen.

Dies bedeutete, dass der Zustand eines Leiters in einem Magnetfeld auf der Weise abhängt, in der dieser Zustand erreicht ist - eine Situation sehr unangenehm.

Später zeigte in 1933 W. Meissner, R. F. und Ochsenfeld Haydenreyh daß das Metall zu einem Supraleiter, in der Tat, den magnetischen Fluss drückt, wenn die Temperatur unter einen kritischen Wert sinkt, wenn die Probe in einem Magnetfeld ist.

Die nächste Phase der Forschung war die neu geöffneten Zustand bei großen Strömen zu studieren. Die Notwendigkeit für solche Studien wurde durch folgende Umstände diktiert: wenn der Widerstand nicht tatsächlich gleich Null ist, dann mehr Strom in einem größeren führen würde und daher leichter detektierbar und der Wert der Potentialdifferenz.

Jedoch nur die Ergebnisse verwirrt die Situation weiter, weil es "ein besonderes Phänomen: in einer Glaskapillare bei jeder Temperatur unterhalb 4,18 K für Quecksilberfaden eingeschlossen ist, gibt es eine Art von Schwellenstromdichte, oberhalb der die Natur des Phänomens stark verändert. Bei Stromdichten unterhalb der Schwelle elektrischer Strom fließt ohne wesentliche Potential an die Enden des Fadens aufgebracht Unterschiede. Dies zeigte, dass der Faden nicht um den Widerstand besitzt.

Sobald die Stromdichte den Schwellenwert übersteigt, gibt es eine Potentialdifferenz, die auch schneller als der Strom stieg selbst. " Dann wurde, um eine Erklärung für den neuen Effekt eine Reihe von Experimenten festgelegt zu finden. Zuallererst wurde beobachtet, dass die Schwellenstromdichte erhöht sich mit abnehmender Temperatur - etwa im Verhältnis zu der Abweichung von der Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand (solange die Differenz zwischen den Temperaturen nicht zu groß ist). Stellt sich natürlich davon aus, dass aufgrund der Erwärmung eine gewisse Wirkung verursacht, Quecksilber Temperatur oberhalb der Übergangspunkt anstieg. die Wärmequelle zu finden - war eine Aufgabe.

Verwendung von unterschiedlichen Konfigurationen von Quecksilber Filamente, wurde gefunden, daß die Wärme nicht nach außen lassen hat. Prüfte den Einfluß von Verunreinigungen in das Quecksilber, obwohl sie in dem Verfahren der Destillation werden musste entfernt werden; Experimente haben gezeigt, dass der Wärmeeffekt nicht mit Verunreinigungen verbunden ist, die speziell in geeigneten Mengen zugesetzt.

Es wurde weiterhin vorgeschlagen, dass der Kontakt mit einem herkömmlichen Quecksilber Fadenführung, in irgendeiner Form in ihr wiedergegeben wird kann oder in ihr gebildet ist, in der Lage ist, die supraleitenden Eigenschaften des Quecksilbers abzubrechen. Um zu testen, die Stahl Kapillare genommen wurde, aber das hat sich in irgendwelchen definitiven Ergebnisse nicht geführt, und erst später, als Folge von Experimenten auf der gleichen Art von Zinn, diese Annahme ausgeschlossen wurde. In der Regel Experimente mit Quecksilber beantworten nicht die Frage.

Doch wie Kamerlingh Onnes gesetzt, war Quecksilber nicht ganz geeignetes Objekt für die systematische Forschung. "Die kombinierte Wirkung vieler Faktoren hat zu Schwierigkeiten geführt Quecksilber in den Kapillaren in der Handhabung.

Tag Experiment mit flüssigem Helium immense Vorbereitung erforderlich, und wenn es darum ging unmittelbar vor den hier beschriebenen Experimenten nur ein paar Stunden, um sie links. Um diese Bedingungen genaue Messungen mit flüssigem Helium durchzuführen, ist es notwendig, im Voraus das Programm schnell zu identifizieren und methodisch in den Tag des Experiments auszuführen. Änderungen in der experimentellen Einstellung, die Notwendigkeit von denen bewirkt, dass die beobachteten Phänomene, musste in der Regel am nächsten Tag zu machen.

Oft aufgrund einer Verzögerung durch arbeitsintensive Herstellungsverfahren des Widerstands, Helium Anlage ist für andere Zwecke verwendet. Wenn wir könnten wieder den Versuch machen, geschah es, daß gemacht Widerstand zwecklos erwiesen, da das Einfrieren von Quecksilberfaden gerissen, und alle unsere Bemühungen vergeblich geworden. Unter diesen Umständen, um Quellen von unerwarteten und irreführende Störungen zu erkennen und zu beseitigen, benötigt es eine sehr lange Zeit.

Ferner ist es wünschenswert, die Probe nicht durch die Kapillarwand zu kühlen, und durch seinen direkten Kontakt mit flüssigem Helium. Daher wird, wenn entdeckt Kamerling Onnes dass Zinn und Blei Eigenschaften ähnlich den Eigenschaften des Quecksilbers er weiterhin Versuche mit diesen beiden Metallen. Es wurde dann stellte das Problem gelöst wurde.

In der Tat hat die Hoffnung seiner Lösung in Experimenten heraus, in dem die Blei Supraleitung entdeckt. Daraus kann leicht Draht hergestellt werden, und war eine ziemlich große Anzahl von Drähten mit einem Querschnitt von 70 mm2 hergestellt. Für einen einzelnen Draht dieser Größe die Stromschwelle bei 4,25 K 8 A. Ferner wurde dieser Draht auf einem Kerndurchmesser von 1 cm 1 cm Spule mit 1000 Windungen gewickelt. Wicklungsisolation hatte eine Seide, die mit flüssigem Helium benetzt wird. Wie sich herausstellte, ist der aktuelle Grenzwert nur 0,8 A.

1913 Interesse starke Magnetfelder in Erhalt bereits ausreichend groß, und es besteht kein Zweifel daran, dass das Hauptproblem die Verlustleistung in den Wicklungen in Beziehung steht. Beispielsweise vorgeschlagen Perrin für Kühlflüssigkeit Luft verwendet werden; es wurde erwartet, dass mit abnehmender Temperatur den Wicklungswiderstand durch eine Verringerung der Wärmemenge in das erzeugte abnimmt, die einen bestimmten Vorteil.

Berechnungen haben jedoch gezeigt, dass auf diese Weise nicht erreicht gewinnen, ist vor allem aufgrund der Tatsache, dass sehr schwierig, die erforderliche Wärmeübergang zwischen der Spule und der Erwartung eines kompakten Kühler zu erreichen. Kamerliig-Onies bewertet richtig die Möglichkeit von Supraleitern für diesen Zweck, die Aufmerksamkeit auf die Tatsache, dass sie Wärme sollte nicht einmal stehen. Apropos, er gab jedoch die "Möglichkeit, dass das Magnetfeld an das Auftreten von Resistenzen im Supraleiter führen kann." Und er begann, um dieses Problem zu studieren.

"Es gab Gründe zu glauben, dass dieser Effekt wird schwach sein. Ein direkter Beweis, dass in Supraleitern unter dem Einfluss des Magnetfeldes tritt nur ein leichter Widerstand wurde erhalten, wenn festgestellt wurde, dass die oben beschriebene Spule supraleitendem bleibt, auch wenn es einem Strom von 0,8 A. gelangt durch die Feldspule sich in diesem Fall erreicht, ein paar hundert Gauss und in der Größenordnung davon war es ein großer Teil der Windungen, aber keinen Widerstand beobachtet wurde. " Deshalb erstellt Kamerlingh Onnes ein Setup für diese Versuche, die Phänomene zu untersuchen, nur um Felder kG beobachtet erlauben würde.

Die Ergebnisse waren wieder überraschend. Die supraleitende Spule führen, die in früheren Experimenten verwendet wurde, wurden in einem Kryostat angeordnet ist, so daß die Windungen Ebene parallel zum Magnetfeld.

"Zunächst einmal stellen wir sicher, dass die Spule an Helium verbraucht wird supraleitendem; es bleibt sogar supraleitenden, wenn durch sie Strom von 0,4 A geführt, obwohl die Windungen durch fließt ein Strom in ihnen merklich Magnetfeld erzeugt werden.

Dann wurde das Magnetfeld angelegt. Wenn der Wert eines Feldes von 10 kG es erheblichen Widerstand war, war es etwas kleiner bei 5 kgf. Diese Versuche haben überzeugend gezeigt, daß das Magnetfeld mit hoher Intensität verursacht Widerstand in Supraleitern, und mit einem kleinen - Nr. Im Zuge der weiteren Forschung war die Abhängigkeit des Widerstands des Feldes.

Kamerlingh Onnes war noch nicht bereit, mit dem kritischen Wert des Magnetfeldes, dass die kritische Strom Mitarbeiter zu gewährleisten. Er hatte keinen Zweifel daran, dass das Phänomen bei einer bestimmten Temperatur normalen Widerstand in Supraleitern aufgrund der plötzlichen Beginn ist hier öffnen - diese Beziehung von anderen Forschern gefunden. Trotzdem war es möglich, anzunehmen, dass das Fundament gelegt.

Im Laufe der Zeit, das Paradoxon zu Beginn dieses Kapitels beschrieben wurde jedoch sehr deutlich. Eine kleine Änderung in der Formulierung wurde weiter gestärkt. Wenn die Substanz in einem Magnetfeld ist, in einem vollkommen leitenden Zustand zu bewegen mußte, wenn die Temperatur abgesenkt wird, würde der eindringenden Probenmagnetflusses zu der Zeit des Übergangs haben "eingefroren" darin zu bleiben, und in dem nachfolgenden Feld bleiben ausgeschaltet (wenn die Temperatur so konstant gehalten wird) .

Nachdem auf diese Weise hergestellten verschiedenen Proben eine Menge (im Prinzip unendlich) schaffen könnten verschiedene Zustände, die unter den gleichen äußeren Bedingungen existieren, die möglicherweise sogar in thermischen Kontakt miteinander sein können, dh. E. In einem Gleichgewichtszustand.

Bis 1933 wurde diese Möglichkeit nicht durch das Experiment widerlegt worden, und einige Experimente schienen sogar bestätigt. Es gab sogar theoretische Argumente zu ihren Gunsten. An diesem Punkt Meisner, den Übergang in den supraleitenden Zustand zu studieren, wurde durch das Auftreten einer Art Hysterese getroffen: ein Einkristall aus Zinn Rückkehr in den Normalzustand erfolgt bei einer Temperatur leicht oberhalb der Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand.

Dieser Effekt wurde auch beobachtet, wenn der Widerstand an jedem Punkt durch zwei Stromrichtungen gemessen wurde, speziell thermoelektrische Effekte zu vermeiden, wenn die Stromrichtung nicht geändert wird, wird die Wirkung verstärkt. Hysteresis legt nahe, dass das Phänomen auf eine Änderung in der Durchlässigkeit der Probe zurückzuführen ist.

Meisner schrieb darüber auf diese Weise: "Wenn die Verteilung der gemessenen Strom und dem Magnetfeld, das von ihm selbst erstellte nicht geändert hat, würde es für das Auftreten von Hysteresephänomenen kein Grund sein." So er und seine Kollegen vorgeschlagen, dass Permeabilität auf Null abnimmt. Wenn es jemals stattgefunden hat, dann konnte keine Kraft Feldlinie kommen nicht zu einem Ende an der inneren Oberfläche des Supraleiters Hohlraum, während Experimente zeigen deutlich, dass sich die Situation wie folgt ist.

Es dauerte viele Jahre, bevor es in der Lage war, eine befriedigende Theorie der Supraleitung zu schaffen; Im Wesentlichen ist diese Frage nicht jedoch im Jahr 1972 schließlich aufgelöst, auch wurde, die Entdeckung des Meissner zumindest möglich, eine befriedigende Interpretation der makroskopische Phänomene beobachtet zu geben.

J. Trigg "Physik des zwanzigsten Jahrhunderts: Die wichtigsten Experimente."