धातूंची सुपरकंडक्टिव्हिटी, हेइक कॅमरलिंग-ऑन्सचा शोध

सुपरकंडक्टिव्हिटीची घटना पाहणारे पहिले Heike Kamerling Onnes - डच भौतिकशास्त्रज्ञ आणि रसायनशास्त्रज्ञ. इंद्रियगोचर शोधण्याचे वर्ष 1911 होते. आणि आधीच 1913 मध्ये, शास्त्रज्ञाला त्याच्या संशोधनासाठी भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक मिळेल.

अति-कमी तापमानात पाराच्या विद्युत् प्रतिरोधकतेचा अभ्यास करून, त्याला हे ठरवायचे होते की एखाद्या पदार्थाचा विद्युत प्रवाह अशुद्धतेपासून स्वच्छ केला तर त्याचा प्रतिकार कोणत्या स्तरावर कमी होऊ शकतो आणि ते शक्य तितके कमी करायचे आहे. म्हणतात. "थर्मल नॉइज" म्हणजेच या पदार्थांचे तापमान कमी करणे. निकाल अनपेक्षित आणि चकित करणारे होते. 4.15 के खाली तापमानात, पाराचा प्रतिकार अचानक पूर्णपणे नाहीसा झाला!

खाली ओन्सने जे निरीक्षण केले त्याचा आलेख आहे.

त्या दिवसांत, विज्ञानाला कमीतकमी इतके माहित होते धातूंमधील विद्युत् प्रवाह म्हणजे इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह, जे त्यांच्या अणूंपासून वेगळे केले जातात आणि चार्ज केलेल्या वायूप्रमाणे विद्युत क्षेत्राद्वारे वाहून जातात.जेव्हा हवा जास्त दाबाच्या क्षेत्रातून कमी दाबाच्या क्षेत्राकडे जाते तेव्हा हे वाऱ्यासारखे असते. फक्त आता, करंटच्या बाबतीत, हवेऐवजी, मुक्त इलेक्ट्रॉन आहेत आणि वायरच्या टोकांमधील संभाव्य फरक हवेच्या उदाहरणासाठी दाबाच्या फरकाशी समान आहे.

डायलेक्ट्रिक्समध्ये, हे अशक्य आहे, कारण इलेक्ट्रॉन त्यांच्या अणूंना घट्ट बांधलेले असतात आणि त्यांना त्यांच्या ठिकाणाहून फाडणे फार कठीण असते. आणि जरी धातूंमध्ये विद्युत् प्रवाह तयार करणारे इलेक्ट्रॉन तुलनेने मुक्तपणे फिरत असले, तरी ते अधूनमधून कंपन करणाऱ्या अणूंच्या रूपात अडथळ्यांशी आदळतात आणि एक प्रकारचा घर्षण निर्माण होते. विद्युत प्रतिकार.

परंतु जेव्हा अति-कमी तापमानात ते स्वतः प्रकट होऊ लागते अतिवाहकता, घर्षण प्रभाव काही कारणास्तव अदृश्य होतो, कंडक्टरचा प्रतिकार शून्यावर येतो, याचा अर्थ असा होतो की इलेक्ट्रॉन पूर्णपणे मुक्तपणे, बिनधास्तपणे फिरतात. पण हे कसे शक्य आहे?

या प्रश्नाचे उत्तर शोधण्यासाठी, भौतिकशास्त्रज्ञांनी अनेक दशके संशोधन केले. आणि आजही, सामान्य तारांना "सामान्य" वायर म्हणतात, तर शून्य प्रतिरोधक अवस्थेतील कंडक्टरला "सुपरकंडक्टर" म्हणतात.

हे लक्षात घेतले पाहिजे की जरी सामान्य कंडक्टर कमी होत असलेल्या तापमानासह त्यांचे प्रतिकार कमी करतात, तांबे, अगदी अनेक केल्विन तापमानात देखील, सुपरकंडक्टर बनत नाहीत आणि पारा, शिसे आणि अॅल्युमिनियम करतात, त्यांचा प्रतिकार किमान शंभर ट्रिलियन होतो. समान परिस्थितीत तांबे पेक्षा पट कमी.

हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की ओन्नेसने असे निराधार दावे केले नाहीत की विद्युत प्रवाह चालू असताना पाराचा प्रतिकार अगदी शून्य झाला आहे आणि इतका कमी झाला नाही की त्यावेळच्या साधनांनी त्याचे मोजमाप करणे अशक्य झाले आहे.

त्याने एक प्रयोग सेट केला ज्यामध्ये द्रव हीलियममध्ये बुडलेल्या सुपरकंडक्टिंग कॉइलमधील विद्युत् प्रवाह जिनीचे बाष्पीभवन होईपर्यंत सर्वत्र फिरत राहतो. कॉइलच्या चुंबकीय क्षेत्राला अनुसरणारी कंपास सुई अजिबात विचलित झाली नाही! 1950 मध्ये, अशा प्रकारचा अधिक अचूक प्रयोग दीड वर्ष टिकेल आणि एवढा मोठा कालावधी असूनही विद्युत प्रवाह कोणत्याही प्रकारे कमी होणार नाही.

सुरुवातीला, हे ज्ञात आहे की धातूचा विद्युत प्रतिकार तापमानावर लक्षणीय अवलंबून असतो, आपण तांबेसाठी असा आलेख तयार करू शकता.

तापमान जितके जास्त तितके अणू कंप पावतात. अणू जितके जास्त कंप पावतात तितकाच विद्युत प्रवाह तयार करणार्‍या इलेक्ट्रॉनच्या मार्गात मोठा अडथळा निर्माण होतो. जर धातूचे तापमान कमी झाले तर त्याचा प्रतिकार कमी होईल आणि विशिष्ट अवशिष्ट प्रतिकार R0 जवळ येईल. आणि हे अवशिष्ट प्रतिकार, जसे की ते बाहेर वळले, नमुना च्या रचना आणि "परिपूर्णता" वर अवलंबून असते.

वस्तुस्थिती अशी आहे की धातूपासून बनवलेल्या कोणत्याही नमुन्यात दोष आणि अशुद्धता आढळतात. हे अवलंबित्व 1911 मध्ये सर्वात जास्त आवडले, सुरुवातीला त्याने सुपरकंडक्टिव्हिटीसाठी प्रयत्न केले नाहीत, परंतु केवळ कंडक्टरचा अवशिष्ट प्रतिकार कमी करण्यासाठी शक्य तितकी वारंवारता मिळवायची होती.

त्या वर्षांमध्ये, पारा शुद्ध करणे सोपे होते, म्हणून संशोधकाला अपघाताने ते सापडले, प्लॅटिनम, सोने आणि तांबे हे सामान्य तापमानात पारा पेक्षा चांगले कंडक्टर असूनही, त्यांना शुद्ध करणे अधिक कठीण आहे.

जसजसे तापमान कमी होते, तपमान एका विशिष्ट गंभीर पातळीपर्यंत पोहोचते तेव्हा एका विशिष्ट क्षणी सुपरकंडक्टिंग स्थिती अचानक उद्भवते. या तापमानाला गंभीर म्हणतात, जेव्हा तापमान आणखी कमी होते, तेव्हा प्रतिकार झपाट्याने शून्यावर येतो.

नमुना जितका शुद्ध असेल तितका तीक्ष्ण ड्रॉप आणि सर्वात शुद्ध नमुन्यांमध्ये ही घसरण एका अंशाच्या शंभरव्या अंशापेक्षा कमी अंतराने होते, परंतु नमुना जितका अधिक प्रदूषित असेल तितका ड्रॉप जास्त असेल आणि दहा अंशांपर्यंत पोहोचेल, हे विशेषतः आहे मध्ये लक्षणीय उच्च तापमान सुपरकंडक्टर.

नमुन्याचे गंभीर तापमान तीव्र ड्रॉप मध्यांतराच्या मध्यभागी मोजले जाते आणि ते प्रत्येक पदार्थासाठी वैयक्तिक असते: पारा 4.15K साठी, निओबियमसाठी, 9.2K साठी, अॅल्युमिनियमसाठी, 1.18K, इ. मिश्र धातु ही एक वेगळी कथा आहे, त्यांची सुपरकंडक्टिव्हिटी ओनेसने नंतर शोधली: सोन्यासह पारा आणि कथीलसह पारा हे त्याने शोधलेले पहिले सुपरकंडक्टिंग मिश्र धातु होते.

वर नमूद केल्याप्रमाणे, शास्त्रज्ञाने द्रव हेलियमसह शीतकरण केले. तसे, ओनेसने त्याच्या स्वत: च्या पद्धतीनुसार द्रव हीलियम प्राप्त केले, जे त्याच्या स्वत: च्या विशेष प्रयोगशाळेत विकसित केले गेले, सुपरकंडक्टिव्हिटीच्या घटनेच्या शोधाच्या तीन वर्षांपूर्वी स्थापित केले गेले.

सुपरकंडक्टिव्हिटीच्या भौतिकशास्त्राबद्दल थोडेसे समजून घेण्यासाठी, जे नमुन्याच्या गंभीर तापमानात उद्भवते जेणेकरून प्रतिकार शून्यावर जाईल, याचा उल्लेख केला पाहिजे. फेज संक्रमण… सामान्य अवस्था, जेव्हा धातूला सामान्य विद्युत प्रतिकार असतो, तो सामान्य अवस्था असतो. सुपरकंडक्टिंग टप्पा - ही अशी अवस्था आहे जेव्हा धातूचा प्रतिकार शून्य असतो. हे फेज संक्रमण गंभीर तापमानानंतर लगेच होते.

फेज संक्रमण का होते? सुरुवातीच्या "सामान्य" अवस्थेत, इलेक्ट्रॉन्स त्यांच्या अणूंमध्ये सोयीस्कर असतात आणि जेव्हा या अवस्थेत तारेमधून विद्युतप्रवाह वाहतो तेव्हा काही इलेक्ट्रॉनांना त्यांचे अणू सोडण्यास आणि विद्युत क्षेत्राच्या बाजूने हालचाल करण्यास भाग पाडण्यासाठी स्त्रोताची ऊर्जा खर्च केली जाते, जरी त्यांच्या मार्गात चकचकीत अडथळे येतात.

जेव्हा तार गंभीर तापमानापेक्षा कमी तापमानात थंड केली जाते आणि त्याच वेळी त्याद्वारे विद्युत प्रवाह स्थापित केला जातो, तेव्हा इलेक्ट्रॉन (ऊर्जा अनुकूल, ऊर्जा स्वस्त) या विद्युतप्रवाहात असणे आणि मूळ स्थितीकडे परत येणे अधिक सोयीचे होते. "सामान्य" स्थिती, या प्रकरणात, कोठूनही अतिरिक्त ऊर्जा मिळवणे आवश्यक असेल, परंतु ते कोठूनही येत नाही. म्हणून, सुपरकंडक्टिंग स्थिती इतकी स्थिर आहे की पदार्थ पुन्हा गरम केल्याशिवाय ते सोडू शकत नाही.

हे देखील पहा:Meissner प्रभाव आणि त्याचा वापर