金属の超伝導、ヘイケ・カメルリング・オンネスの発見

超電導現象に初めて遭遇した ヘイケ・カメルリング・オンネス — オランダの物理学者、化学者。この現象が発見されたのは 1911 年です。そしてすでに1913年に、科学者はその研究に対してノーベル物理学賞を受賞することになります。

超低温における水銀の電気抵抗の研究を行った彼は、不純物を除去した場合に物質の電流に対する抵抗がどのレベルまで低下するかを判断し、不純物を可能な限り削減したいと考えました。と呼ばれた。 » 熱雑音 «、つまり、これらの物質の温度を下げることです。結果は予想外で驚くべきものでした。 4.15 K 未満の温度では、水銀の抵抗が突然完全に消失しました。

以下はオンネスが観察したことのグラフです。

当時、科学はすでに少なくともそれくらいのことはわかっていた 金属中の電流は電子の流れです、それらは原子から分離され、帯電したガスと同様に電場によって運び去られます。空気が気圧の高いところから低いところへ移動するのは風のようなものです。ここで、電流の場合には空気の代わりに自由電子が存在し、ワイヤの両端間の電位差は空気の例の圧力差に似ています。

誘電体では、電子は原子にしっかりと結合しており、原子をその場所から引き離すのが非常に難しいため、これは不可能です。金属では、電流を形成する電子は比較的自由に動きますが、時折、振動する原子の形で障害物と衝突し、「摩擦」と呼ばれる一種の摩擦が発生します。 電気抵抗.

しかし、超低温になるとそれが現れ始めます 超電導、何らかの理由で摩擦効果がなくなり、導体の抵抗がゼロに下がります。これは、電子が妨げられることなく完全に自由に移動することを意味します。しかし、どうしてそんなことが可能なのでしょうか？

この質問に対する答えを見つけるために、物理学者は数十年をかけて研究してきました。そして現在でも、普通の電線は「通常」電線と呼ばれています。 抵抗がゼロの状態の導体を「超電導体」と呼びます。.

通常の導体は温度が下がると抵抗が減少しますが、銅は数ケルビンの温度でも超伝導体にはならず、水銀、鉛、アルミニウムは超伝導体になりますが、その抵抗は少なくとも100兆であることが判明していることに注意してください。同じ条件下では銅よりも数倍低い。

注目に値するのは、オンネスが電流通過中の水銀の抵抗が正確にゼロになったという根拠のない主張をしたわけではなく、単に当時の機器で測定できなくなるほど低下したわけでもないということです。

彼は、液体ヘリウムに浸した超電導コイルの電流が魔神が蒸発するまで循環し続けるという実験を設定した。コイルの磁場に追従した方位磁針は全くずれませんでした！ 1950 年には、この種のより正確な実験は 1 年半続きますが、これほど長い期間にもかかわらず、電流はまったく減少しません。

当初、金属の電気抵抗は温度に大きく依存することが知られているため、銅についてそのようなグラフを作成できます。

温度が高くなるほど原子の振動は大きくなり、電流を形成する電子の経路における原子の障害が大きくなります。金属の温度が低下すると、その抵抗は減少し、特定の残留抵抗 R0 に近づきます。そして、この残留抵抗は、サンプルの組成と「完全さ」に依存することが判明しました。

実際のところ、金属製のサンプルには欠陥や不純物が存在します。この依存性は 1911 年に何よりも人々に興味を持ちました。当初、彼は超電導を目指して努力したのではなく、残留抵抗を最小限に抑えるために可能な限り導体の周波数を達成したいだけでした。

当時、水銀は精製が容易であったため、研究者は偶然水銀を見つけました。プラチナ、金、銅は常温では水銀よりも優れた導体であるにもかかわらず、それらを精製するのがより難しいだけです。

温度が低下すると、温度がある臨界レベルに達すると、ある瞬間に突然超電導状態が発生します。この温度は臨界温度と呼ばれ、温度がさらに下がると抵抗は急激にゼロになります。

サンプルが純粋であればあるほど、その降下はより鋭くなり、最も純粋なサンプルでは、​​この降下は 100 分の 1 度未満の間隔で発生しますが、サンプルがより汚染されているほど、その降下は長くなり、数十度に達します。これは特に重要です。で目立つ 高温超伝導体.

サンプルの臨界温度は急降下間隔の中央で測定され、水銀の場合は 4.15K、ニオブの場合は 9.2K、アルミニウムの場合は 1.18K など、物質ごとに異なります。合金は別の話で、その超電導性は後にオンネスによって発見されました。水銀と金、および水銀と錫は、彼が発見した最初の超電導合金でした。

上で述べたように、科学者は液体ヘリウムを使用して冷却を実行しました。ちなみに、オンネスは、超電導現象の発見の3年前に設立された彼自身の特別な研究室で開発された独自の方法に従って液体ヘリウムを入手しました。

超伝導の物理学について少し理解するには、抵抗がゼロに低下するサンプルの臨界温度で発生する超伝導について言及する必要があります。 相転移… 金属が正常な電気抵抗を有する正常な状態が正常相です。 超電導相 — これは金属の抵抗がゼロの状態です。この相転移は臨界温度の直後に起こります。

相転移はなぜ起こるのでしょうか?初期の「通常」状態では、電子は原子内に快適に存在しており、この状態でワイヤに電流が流れると、ソースのエネルギーが消費されて一部の電子が原子から離れ、電場に沿って移動し始めます。たとえ進路上でちらつく障害物に遭遇したとしても。

ワイヤが臨界温度以下の温度に冷却され、同時にワイヤを介して電流が確立されると、電子（エネルギーに有利、エネルギーが安価）がこの電流に存在し、元に戻ることがより都合よくなります。 「通常の」状態では、この場合、どこかから余分なエネルギーを得る必要がありますが、それはどこからも来ません。したがって、超伝導状態は非常に安定しているため、再加熱しない限り物質はそこから離れることができません。

以下も参照してください。マイスナー効果とその利用