Teori om superledningsevne • James Trefil, Encyclopedia "To hundrede love i universet"

Superledningsevne teori

Superledningsevne er en mærkelig ting og til en vis grad, selv i modsætning til sund fornuft. Når en elektrisk strøm strømmer gennem en normal ledning, vil strømmen som følge af trådens elektriske modstand gøre noget arbejde med henblik på at overvinde denne modstand fra atomets side, som følge af hvilken varme genereres. Samtidig forsvinder enhver kollision af en elektron – en bærer af en strøm – med et atom elektronen, og atombremsen opvarmes samtidig – det er derfor, at varmepladen bliver så rød og varm. Faktum er, at spiralen har en elektrisk modstand, og når en elektrisk strøm strømmer igennem det, frigiver den termisk energi (cm. Ohms lov).

I 1911 lavede den hollandske eksperimentelle fysiker Heike Kamerling Onnes (Heike Kammerlingh Onnes, 1853-1926) en fantastisk opdagelse. Efter at have nedsænket ledningen i flydende helium, hvis temperatur ikke var mere end 4 ° over absolut nul (som vi husker, er -273 ° C på Celsius eller -460 ° F på Fahrenheit), fandt han ud af, at den elektriske modstand ved ultralydstemperaturer næsten falder til nul.Hvorfor dette sker, han faktisk kunne ikke engang gætte, men faktum var indlysende. Ved ultralow temperaturer oplevede elektronerne praktisk taget ikke modstand fra atomerne i krystalgitteret af metallet og tilvejebragte superledning.

Men hvorfor er alt det der sker? Dette forblev hemmeligt indtil 1957, da tre eksperimenterende fysikere – John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (Leon Cooper, født 1930) og John Robert Schrieffer (John Robert Schrieffer, født 1931) en forklaring på denne effekt. Teorien om superledningsevne hedder nu "BCS-teorien" til deres ære – ifølge de første bogstaver af disse fysikers navne.

Og dens essens ligger i det faktum, at tungmetalatomer næsten ikke svinger på grund af deres lave termiske bevægelse ved ultra-lave temperaturer, og de kan betragtes som praktisk taget stationære. Da ethvert metal kun har de elektrisk ledende egenskaber, der er forbundet med metallet, frigiver det det ydre lags elektroner til "fritflydende" (cm. Kemiske bindinger) har vi hvad vi har: ioniserede, positivt ladede kerner af krystalgitteret og negativt ladede elektroner, som er frit "flydende" mellem dem. Og her falder dirigenten under virkningen af ​​forskellen på elektriske potentialer.Elektroner – uanset om det er lyst eller tåget – bevæger sig, er fri, mellem positivt ladede kerner. Hver gang interagerer de imidlertid langsomt med kernerne (og med hinanden), men så "løber væk". På samme tid, mens elektronerne "glider" mellem to positivt ladede kerner, "distraherer de" dem selv. Som et resultat, når en elektron "glider" mellem to kerner, kommer de tættere i kort tid. Derefter afviger de to kerner gradvist, men sagen er færdig – et positivt potentiale har vist sig, og alle nye negativt ladede elektroner er tiltrukket af det. Det vigtigste er her at forstå: På grund af det faktum, at en elektron "glider" mellem atomerne, skaber den derved gunstige energiformer for fremme af en anden elektron. Som følge heraf transporteres elektroner parvis i den atomkrystalliske struktur – de kan simpelthen ikke gøre ellers, da dette ikke er energisk gavnligt for dem. For bedre at forstå denne effekt kan du tegne en analogi fra sportens verden. Cyklister på banen bruger ofte taktikken til "drafting" (dvs. "hænge på halen" af modstanderen) og derved reducere luftmotstanden.Elektroner gør det samme og danner Cooper par.

Det er vigtigt at forstå det ved ekstremt lave temperaturer alle elektroner danner Cooper par. Forestil dig nu, at hvert sådant par er et bundt som en vermicelli, i hver ende der er en ladningselektron. Forestil dig nu, at foran dig er en hel skål med sådanne "nudler": den består udelukkende af Cooper par interlaced med hinanden. Med andre ord virker elektroner i et superledende metal i par med hinanden, og al deres energi bruges på dette. Følgelig har elektronerne simpelthen ikke energi til at interagere med kernerne af atomerne i krystalgitteret. Som følge heraf kommer det til, at elektroner bremser så meget, at de ikke mere har noget at tabe (energisk), og kernerne omkring dem "køler ned" så meget, at de ikke længere kan "sætte ned" fri elektroner. Som følge heraf begynder elektronerne at flytte mellem metalatomerne, praktisk talt taber ingen energi som følge af kollisioner med atomerne, og superledernes elektriske modstand skynder sig til nul. Til opdagelsen og forklaringen af ​​effekten af ​​superledningsevne modtog Bardeen, Cooper og Schrieffer Nobelprisen i 1972.

Mange år er gået siden da, og superledningsevne fra kategorien af ​​unikke og laboratorie-nysgerrige fænomener er blevet en almindeligt anerkendt kendsgerning og en kilde til milliarder dollars i omsætningen til elektronikindustrien. Og sagen er, at enhver elektrisk strøm spænder et magnetfelt omkring sig selv (cm. Faraday lov om elektromagnetisk induktion). Da superledere i lang tid udfører en strøm med næsten ingen tab, hvis de opretholdes ved ekstremt lave temperaturer, er de et ideelt materiale til fremstilling af elektromagneter. Og hvis du nogensinde har gennemgået en medicinsk diagnostisk procedure kaldet elektrontomografi og udført på en scanner ved hjælp af kernemagnetisk resonans (NMR), så var du selv, måske uvidende, inden for få centimeter fra superledende elektromagneter . De skaber det felt, der gør det muligt for lægerne at opnå højpræcisionsbilleder af væv i menneskekroppen i sektionen uden at skulle tage sig af skalpellen.

Moderne superledere bevarer deres unikke egenskaber ved opvarmning til temperaturer i størrelsesordenen 20K (20 grader over absolut nul).I lang tid blev dette betragtet som temperaturbegrænsningen for superledningsevne. Men i 1986 opdagede medarbejdere fra det schweiziske laboratorium i IBM computerfirmaet Georg Bednorz (Georg Bednorz, 1950) og Alexander Müller (Alexander Müller, 1927) en legering, hvis superledende egenskaber opretholdes ved 30K. I dag kender videnskaben materialer, der forbliver superledere selv ved 160K (det vil sige lige under -100 ° C). I dette tilfælde er den almindeligt accepterede teori, der ville forklare denne klasse høj temperatur superledningsevne, er endnu ikke oprettet, men det er helt klart, at det ikke er muligt at forklare det inden for rammerne af BCS-teorien. Praktisk brug af høj temperatur superledere i dag er ikke fundet på grund af deres ekstreme høje omkostninger og skrøbelighed, men udvikling i denne retning fortsætter.

John Bardine
John Bardeen, 1908-91

Amerikansk fysiker, en af ​​de få to gange nobelpristagere. Født i Madison, Wisconsin, i en professor-patologs familie. Uddannet i Madison og Princeton Universiteter. I pausen mellem hans første og andet studieår arbejdede han i flere år hos olieselskabet Gulf Oil som seismolog-udsigter til olieindskud.Under anden verdenskrig tjente han i Naval Laboratory of US Navy i Washington, efter krigen arbejdede han i radiolaboratoriet for telefonfirmaet Bell, hvor han medvirkede transistorens opfindelse, for hvilken han i 1956 blev tildelt sin første Nobelpris i fysik. Derefter blev Bardin professor ved University of Illinois, hvor han begyndte at udvikle BCS-teorien, for hvilken han sammen med medforfattere i 1972 modtog Nobelprisen en anden gang.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: