Supercondutividade de metais, a descoberta de Heike Kamerling-Onnes

O primeiro a se deparar com o fenômeno da supercondutividade Heike Kamerling Onnes — Físico e químico holandês. O ano da descoberta do fenômeno foi 1911. E já em 1913, o cientista receberá o Prêmio Nobel de Física por suas pesquisas.

Realizando um estudo da resistência elétrica do mercúrio em temperaturas ultrabaixas, ele queria determinar a que nível a resistência de uma substância à corrente elétrica poderia cair se fosse limpa de impurezas e reduzir ao máximo o que pode ser chamado. » ruído térmico «, ou seja, baixar a temperatura dessas substâncias. Os resultados foram inesperados e surpreendentes. Em temperaturas abaixo de 4,15 K, a resistência do mercúrio desapareceu completamente de repente!

Abaixo está um gráfico do que Onnes observou.

Naquela época, a ciência já sabia pelo menos isso corrente em metais é o fluxo de elétrons, que são separados de seus átomos e, como o gás carregado, são levados pelo campo elétrico.É como o vento quando o ar se move de uma área de alta pressão para uma área de baixa pressão. Só que agora, no caso da corrente, ao invés do ar, há elétrons livres, e a diferença de potencial entre as pontas do fio é análoga à diferença de pressão do exemplo do ar.

Nos dielétricos, isso é impossível, porque os elétrons estão fortemente ligados aos seus átomos e é muito difícil arrancá-los de seus lugares. E embora nos metais os elétrons que formam a corrente se movam de forma relativamente livre, eles ocasionalmente colidem com obstáculos na forma de átomos vibrantes e ocorre uma espécie de fricção chamada resistência elétrica.

Mas quando em temperatura ultra baixa começa a se manifestar supercondutividade, o efeito de atrito desaparece por algum motivo, a resistência do condutor cai para zero, o que significa que os elétrons se movem totalmente livremente, sem impedimentos. Mas como isso é possível?

Para encontrar a resposta a esta pergunta, os físicos passaram décadas pesquisando. E ainda hoje, os fios comuns são chamados de fios "normais", enquanto condutores em um estado de resistência zero são chamados de "supercondutores".

Deve-se notar que, embora os condutores comuns diminuam sua resistência com a diminuição da temperatura, o cobre, mesmo a uma temperatura de vários kelvins, não se torna um supercondutor, e o mercúrio, o chumbo e o alumínio, sua resistência acaba sendo de pelo menos cem trilhões vezes menor que a do cobre nas mesmas condições.

Vale a pena notar que Onnes não fez afirmações infundadas de que a resistência do mercúrio durante a passagem da corrente se tornou exatamente zero, e não simplesmente caiu tanto que se tornou impossível medi-la com os instrumentos da época.

Ele montou um experimento no qual a corrente em uma bobina supercondutora imersa em hélio líquido continuou a circular até que o gênio evaporasse. A agulha da bússola, que seguia o campo magnético da bobina, não se desviou em nada! Em 1950, um experimento mais preciso desse tipo durará um ano e meio, e a corrente não diminuirá em nada, apesar de tanto tempo.

Inicialmente, sabe-se que a resistência elétrica de um metal depende significativamente da temperatura, você pode construir esse gráfico para o cobre.

Quanto mais alta a temperatura, mais os átomos vibram.Quanto mais os átomos vibram, mais significativo eles se tornam um obstáculo no caminho dos elétrons que formam a corrente. Se a temperatura do metal diminuir, sua resistência diminuirá e se aproximará de uma certa resistência residual R0. E essa resistência residual, como se viu, depende da composição e "perfeição" da amostra.

O fato é que defeitos e impurezas são encontrados em qualquer amostra feita de metal. Essa dependência interessou Ones principalmente em 1911, inicialmente ele não buscava a supercondutividade, mas apenas queria atingir a frequência do condutor possível para minimizar sua resistência residual.

Naquela época, o mercúrio era mais fácil de purificar, então o pesquisador o encontrou por acaso, apesar de a platina, o ouro e o cobre serem melhores condutores do que o mercúrio em temperaturas normais, é apenas mais difícil purificá-los.

À medida que a temperatura diminui, o estado supercondutor ocorre abruptamente em um determinado momento em que a temperatura atinge um determinado nível crítico. Essa temperatura é chamada de crítica, quando a temperatura cai ainda mais, a resistência cai drasticamente para zero.

Quanto mais pura a amostra, mais acentuada a gota, e nas amostras mais puras essa queda ocorre em um intervalo menor que um centésimo de grau, mas quanto mais poluída a amostra, mais longa a queda e chega a dezenas de graus, isso é especialmente perceptível em supercondutores de alta temperatura.

A temperatura crítica da amostra é medida no meio do intervalo de queda acentuada e é individual para cada substância: para mercúrio 4,15 K, para nióbio, 9,2 K, para alumínio, 1,18 K, etc. As ligas são uma história separada, sua supercondutividade foi descoberta mais tarde por Onnes: mercúrio com ouro e mercúrio com estanho foram as primeiras ligas supercondutoras que ele descobriu.

Conforme mencionado acima, o cientista realizou o resfriamento com hélio líquido. A propósito, Onnes obteve o hélio líquido de acordo com seu próprio método, desenvolvido em seu próprio laboratório especial, fundado três anos antes da descoberta do fenômeno da supercondutividade.

Para entender um pouco sobre a física da supercondutividade, que ocorre em uma temperatura crítica da amostra para que a resistência caia a zero, vale mencionar transição de fase… O estado normal, quando o metal tem resistência elétrica normal, é a fase normal. Fase supercondutora — este é o estado em que o metal tem resistência zero. Esta transição de fase ocorre imediatamente após a temperatura crítica.

Por que ocorre a transição de fase? No estado "normal" inicial, os elétrons estão confortáveis ​​em seus átomos, e quando a corrente flui através de um fio neste estado, a energia da fonte é gasta para forçar alguns elétrons a deixarem seus átomos e começarem a se mover ao longo do campo elétrico. mesmo que encontrem obstáculos bruxuleantes em seus caminhos.

Quando o fio é resfriado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica e ao mesmo tempo uma corrente é estabelecida através dele, torna-se mais conveniente para os elétrons (energia favorável, energia barata) estar nesta corrente e retornar ao estado original estado "normal", seria necessário neste caso, obter energia extra de algum lugar, mas não vem de lugar nenhum. Portanto, o estado supercondutor é tão estável que a matéria não pode deixá-lo a menos que seja reaquecido.

Veja também:Efeito Meissner e seu uso