Надпровідність - це унікальне явище у фізиці, коли матеріали, охолоджені до певної температури, втрачають практично повний опір електричному струму. В результаті надпровідності електричний струм може протікати без будь-яких втрат енергії, що робить це явище дуже привабливим для різних технічних застосувань.
Надпровідність була вперше відкрита в 1911 році голландським фізиком Хейке Камерлінгом Оннесом. В ході своїх експериментів він виявив, що при зниженні температури електричний опір ртуті підходить до нуля. Він зміг досягти температури нижче 4.2 до (-268.95 °C), при якій ртуть стала досконалим провідником електрики.
Після відкриття надпровідності, дослідники виявили, що це явище проявляється не тільки в ртуті, але і в інших матеріалах, таких як свинець, цирконій, ніобій і багато іншого. Велике значення для розвитку теорії надпровідності мала робота Леоніда Ландау, який в 1950 році запропонував теорію фермі-рідини.
Значні успіхи у вивченні надпровідності були досягнуті в другій половині 20 століття. У 1986 році Йоганнес Беднорц і Карл Мюллер виявили надпровідність при значно вищих температурах, ніж раніше вважалося можливим. Їх відкриття істотно вплинуло на розвиток області надпровідності і викликало новий виток досліджень.
Основні поняття надпровідності
Основні поняття, пов'язані з надпровідністю:
- Критична температура (Tc) - це температура, нижче якої матеріал стає надпровідником. Критична температура різна для різних матеріалів і залежить від їх структури та хімічного складу.
- Критичне магнітне поле (Hc) - це магнітне поле, при перевищенні якого надпровідність в матеріалі руйнується. Критичне магнітне поле також залежить від властивостей матеріалу.
- Критична щільність струму (Jc) - це щільність електричного струму, при перевищенні якої надпровідні властивості матеріалу втрачаються.
- Лондонська глибина проникнення (λ) - це характеристика, яка визначає, наскільки глибоко магнітне поле може проникати в надпровідник. Чим менше значення лондонівської глибини проникнення, тим краще матеріал поводиться в умовах надпровідності.
Відкриття надпровідності в 1911 році Хейком Камерлінг-Оннесом та Хезерліком Оннесом призвело до значного прогресу у фізиці та дозволило розробляти нові матеріали та пристрої на основі цього явища.
Що таке надпровідність і як вона проявляється у фізиці
Однією з ключових особливостей надпровідності є ефект Мейсснера. Якщо надпровідник охолодити до певної критичної температури, то він стане ідеальним суперпровідником і повністю виштовхує магнітне поле зі свого обсягу. Таким чином, надпровідник набуває властивість абсолютної діамагнетизації. Це означає, що магнітне поле не може проникнути всередину надпровідника, що робить його ідеальним для створення сильних постійних магнітів та електромагнітів.
Відкриття надпровідності в 1911 році було зроблено голландським фізиком Хайко Камерлінгх Оннесом. Він виявив, що ртуті вдалося стати надпровідником при охолодженні її до дуже низьких температур. За це відкриття Оннес був нагороджений Нобелівською премією з фізики в 1913 році. З тих пір були знайдені й інші матеріали, що володіють надпровідністю при різних температурах.
Історія відкриття надпровідності
Феномен надпровідності, тобто здатність деяких матеріалів передавати електричний струм без будь-якого опору, був відкритий на початку 20 століття. Першим вченим, який виявив цей дивовижний ефект, був голландський фізик Хейке Камерлінгх Оннес. У 1911 році він зміг домогтися, щоб зразки ртуті повністю виключили опір для електричного струму при дуже низьких температурах.
Однак в наукових колах це відкриття було прийнято не відразу і викликало сумніви, так як на той момент ніхто не міг запропонувати задовільне пояснення цьому явищу. Тим не менш, надпровідність стала предметом широких досліджень, і вже в 20-і роки були зроблені значні відкриття в цій області.
Основна теорія надпровідності була створена в 1957 році американським фізиком Джоном Барденом і російським вченим Олексієм Абрикосовим. Вони розробили так звану "теорію BCS" (з їхніми прізвищами - Барден, Купер, Шріффер), яка пропонувала пояснення механізму надпровідності на основі взаємодії електронів з кристалічною решіткою.
За свої відкриття в області надпровідності Хейка Камерлінгх Оннес, Джон Барден і Олексій Абрикосов нагороджені Нобелівською премією з фізики. Їх роботи стали важливою відправною точкою для подальшого розвитку цієї цікавої галузі науки і знайшли практичне застосування в різних сферах технологій і промисловості.
Відкриття надпровідності та перші експерименти
Перші експерименти, що призвели до відкриття надпровідності, були проведені Хейком Камерлінгхом Оннесом та його колегами в 1911 році. Вони досліджували властивості металу при дуже низьких температурах і випадково виявили, що електричний струм, що протікає через метал, перестав зустрічати опір.
Це відкриття викликало величезний інтерес у науковому співтоваристві, і наступні десятиліття були присвячені вивченню надпровідності та пошуку матеріалів, що володіють цією властивістю при більш високих температурах.
Основні відкриття в області надпровідності
1. Відкриття надпровідності
Одним з перших важливих відкриттів в області надпровідності було виявлення цього ефекту самими дослідниками. У 1911 році Гейком Камерлінгх-Оннесом, Хейке Камерлінгх-Оннес і Фредеріком о. Фішером в Лейденському університеті було виявлено, що деякі матеріали при дуже низьких температурах можуть повністю усунути опір електричного струму, що дозволяє їм проявляти надпровідність.
2. Відкриття ефекту Мейснера-Ошенфельда
У 1933 році Вольфгангом Мейсснером і Робертом Ошенфельдом було відкрито явище, яке отримало назву ефекту Мейсснера-Ошенфельда. Вони виявили, що надпровідник при наявності магнітного поля і при досить низькій температурі виключає його практично повністю зі свого внутрішнього об'єму. Цей ефект став важливим свідченням наявності надпровідності і послужив відправною точкою для подальших досліджень.
3. Відкриття надпровідності II типу
Надпровідники були розділені на два типи залежно від їх взаємодії з магнітним полем. У 1957 році Олексієм а. Абрикосовим було передбачено, що деякі надпровідники можуть переходити в стан надпровідності II типу, що дозволяє їм вступати у взаємодію з магнітним полем. Цей тип надпровідників вивчався далі, і його властивості виявилися досить цікавими і корисними для різних додатків.
4. Пояснення надпровідності
Пізніше були розроблені теорії, що пояснюють надпровідність. У 1957 році Джоном Барденом, Леоном Купером і Джоном Шріффером була представлена так звана БКШ-теорія, що пояснює ефекти надпровідності. Ця теорія ґрунтується на концепції рухливості електронів в надпровіднику і присутності парних станів електронів, які утворюють так звані БКШ-пари.
5. Відкриття високотемпературної надпровідності
Одним з найбільш значущих відкриттів в області надпровідності було виявлення надпровідності при високих температурах. У 1986 році Йосефом Беднорцем і Олександром Мюллером був виявлений надпровідник, який проявляє цей ефект вже при температурі, значно вище, ніж було відомо раніше. Це відкриття призвело до нових можливостей і перспектив в області надпровідності і викликало широкий інтерес серед наукового співтовариства.
Відкриття магнітного ефекту Мейснера-Очсенфельда
Мейснер і Очсенфельд провели експеримент, в якому вони розмістили надпровідник всередині магнітного поля, а потім охолодили його до температури, при якій надпровідність починає проявлятися. В результаті експерименту, вони виявили, що надпровідник видаляє магнітне поле зі свого внутрішнього об'єму. Тобто, при наявності магнітного поля, надпровідний матеріал ставав не магнітним.
Це явище було названо "ефектом Мейсснера", і воно стало одним з ключових експериментальних підтверджень існування надпровідності. З плином часу, магнітний ефект Мейсснера став одним з критеріїв, що дозволяють визначити, чи володіє матеріал надпровідністю чи ні.
Значення відкриття Мейснера та Очсенфельда полягає в тому, що вони встановили зв'язок між надпровідністю та магнітними полями. Це відкриття підняло багато питань і стимулювало подальші дослідження надпровідності.