Nadprzewodnictwo. Historia i istota odkryć naukowych

NAJWAŻNIEJSZE ODKRYCIA NAUKOWE
Darmowa biblioteka / Katalog / Najważniejsze odkrycia naukowe

Nadprzewodnictwo. Historia i istota odkryć naukowych

Najważniejsze odkrycia naukowe

Katalog / Najważniejsze odkrycia naukowe

Już w starożytności zauważono, że stan skupienia substancji zależy od warunków zewnętrznych. Najbardziej uderzającym i oczywistym przykładem jest przemiana wody w lód i parę. Gaz (amoniak) został po raz pierwszy skroplony w 1792 r. przez holenderskiego fizyka M. van Maruma. Michael Faraday, począwszy od 1823 r., przekształcił jednocześnie kilka gazów w stan ciekły: chlor, dwutlenek siarki i dwutlenek węgla.

Proces nie był trudny, ponieważ gazy pośrednie skraplają się w dość wysokiej temperaturze. Prawdziwe gazy to inna sprawa. Minęło ponad pięćdziesiąt lat, zanim udało im się przekształcić je w stan płynny. W 1877 r. R. Pictet i L. Calete otrzymali ciekły tlen i ciekły azot. Na skalę przemysłową skraplanie powietrza zostało przeprowadzone przez niemieckiego inżyniera K. Linde dopiero w 1895 roku.

Teraz wydawało się, że korzystając ze sprawdzonego już schematu, każdy inny gaz można łatwo przekształcić w stan ciekły. Ale tego tam nie było. Rzeczywiście, zdecydowana większość gazów ochładza się podczas rozprężania. Jednak uparty wodór, neon i hel zachowują się „nieuczciwie” - gdy się rozszerzają, nagrzewają się.

Wyjście zostało znalezione pod koniec XIX wieku. Okazało się, że aby uzyskać ciekły wodór i hel, wystarczy je wstępnie schłodzić do stosunkowo niskiej temperatury.

Olshevsky w Krakowie, Kamerling-Onnes w Holandii i Dewar w Anglii próbowali jednocześnie uzyskać ciekły wodór. Dewar wygrał ten konkurs: 10 maja 1898 r. otrzymał 20 centymetrów sześciennych ciekłego wodoru. Kilka miesięcy później udało mu się uzyskać stały wodór. Tylko 14 stopni dzieliło go od zera absolutnego.

Genialny umysł, doskonałe umiejętności eksperymentalne i doskonała erudycja pomogły Jamesowi Dewarowi stać się jednym z pionierów technologii kriogenicznej. Warto zauważyć, że zarówno sam termin (od greckiego „kryos” - zimno), jak i słynna „kolba Dewara” należą do niego.

Ale hel uparcie odmawiał poddania się. Dopiero 9 lipca 1908 r. nadeszła wiadomość, że dr Heike Kamerling-Onnes (1853-1926) z Uniwersytetu w Leiden upłynnił hel. Sprzeciwiał się intuicji i umiejętnościom Dewara systemem o zdolnościach świetnego organizatora. Słynne laboratorium Kamerling-Onnes w Lejdzie, którego dyrektorem został w wieku 29 lat, nazywane jest pierwszym modelem instytutu badawczego XX wieku.

„Pod koniec eksperymentu Kamerlingh Onnes podjął próbę uzyskania stałego helu” – pisze R. Bakhtamov. „Nie udało mu się. Nie udało mu się także później, gdy osiągnął temperaturę 1,38, a następnie 1,04 stopnia Kelvina. Bez zrozumienia powodów tego dziwnego zjawiska zmusił się jednak do wycofania i przeszedł do kolejnego punktu zaplanowanego programu - do badania właściwości metali w temperaturze helu.

Onnes zmierzył opór elektryczny złota, platyny i zmierzył rtęć. A potem zaczęły się niespodzianki. 28 kwietnia 1911 r. zgłosił do Królewskiej Holenderskiej Akademii, że opór rtęci osiągnął tak niską wartość, że „przyrządy jej nie wykryły”. 27 maja komunikat został wyjaśniony: opór rtęci nie spada stopniowo, ale gwałtownie, gwałtownie i zmniejsza się tak bardzo, że można mówić o „zaniku oporu”.

W artykule opublikowanym w marcu 1913 roku Onnes po raz pierwszy użył terminu „nadprzewodnictwo”. Po kolejnych 11 latach zacznie coś rozumieć na temat tego dziwnego zjawiska. Za 50 lat zjawisko zostanie wyjaśnione, choć nie do końca. Onnes kilkakrotnie zaobserwował inne dość dziwne zjawisko - niezwykle wysoką ruchliwość helu. Ale to było już tak nienaturalne, że Onnes nawet nie próbował niczego zrozumieć.

Kontynuował swoją linię, zbliżając się coraz bardziej do zera absolutnego. Zastosował w zasadzie jedną metodę: aby zmniejszyć prężność par ciekłego helu, instalował pompy o coraz większej mocy. Ostatecznie Onnes osiągnął 0,83 stopnia Kelvina. Wydawało się, że to już granica. Jednak w kwietniu 1926 roku – dwa miesiące po śmierci Kamerlingha Onnesa – amerykański profesor Latimer, rozwijając ideę Kanadyjczyka Williama Gioki, zaproponował nową metodę chłodzenia – magnetyczną. W 1956 roku Francis Simon z Oksfordu uzyskał temperaturę 0,00001 stopnia Kelvina, czyli zaledwie sto tysięcznych stopnia powyżej zera absolutnego.

Co zaskakujące, zaledwie trzydzieści lat po upłynnieniu helu odkryto jego najbardziej egzotyczną właściwość – nadciekłość – mimo że przeprowadzono tysiące eksperymentów. Ale pewnego dnia grupa kanadyjskich naukowców odważyła się przedstawić opis, zdecydowanie odrzucając wnioski. „Właściwy wniosek dotyczący nowego zjawiska” – zauważyli – „nie jest trudny do wysłania nawet studentowi pierwszego roku. Jednak tylko dojrzali i doświadczeni fizycy odważyliby się poważnie zasugerować, że przewodność cieplna cieczy nagle wzrasta o miliony razy.”

Na początku 1938 roku Natura opublikowała dwa artykuły. Jeden z nich należał do sowieckiego naukowca P.L. Kapita, a drugi Allenowi i Misenaarowi z Uniwersytetu w Cambridge. Ich wyniki i wnioski były zbieżne: przepływ ciekłego helu jest prawie całkowicie pozbawiony lepkości. To Kapitsa ukuł termin „nadciekłość”, który stał się powszechnie akceptowany. Co zaskakujące, atomy helu i wolne elektrony metalu zachowują się w ten sam sposób. Odkrycie to umożliwiło połączenie obu zjawisk: nadprzewodnictwa i nadciekłości przepływu elektronów w przewodniku.

Nadprzewodnictwo zostało odkryte na początku wieku, ale dopiero w 1957 roku Bardeen, Cooper i Schriefer byli w stanie podać zadowalające wyjaśnienie zjawiska nadprzewodnictwa, konstruując teorię noszącą ich nazwę (teorię BCS).

„Co dzieje się w nadprzewodniku?", pyta Regge w swojej książce. „Pełna odpowiedź na to pytanie jest długa i skomplikowana. Normalnie dwa elektrony odpychają się nawzajem w próżni, ale w metalu dodatnie ładunki jąder osłaniają ujemne ładunki elektronów, a odpychanie może prawie całkowicie zniknąć.W wielu przypadkach ekranowanie okazuje się niepełne i wtedy nie obserwuje się nadprzewodnictwa.

W niektórych przypadkach sieć kurczy się wokół elektronu, tworząc w ten sposób chmurę dodatnich ładunków, która owija się wokół tego elektronu i przyciąga inne elektrony. Rezultatem jest lekkie przyciąganie między elektronami. Ponieważ przyciąganie to jest słabe, powoduje, że elektrony poruszają się tylko parami; w ten sposób istnieje wiązanie podobne do chemicznego, ale tysiące razy słabsze. W konsekwencji para Coopera jest podobna do cząsteczki „dwuelektronowej”, a przejście do stanu nadprzewodnictwa można uznać za przekształcenie gazu elektronowego w gaz składający się z takich „cząsteczek”. Podobne zjawisko występuje w chemii: na przykład, jeśli dwuatomowy tlen zostanie podgrzany, rozpada się na pojedyncze atomy, które po schłodzeniu mogą się rekombinować.

Gaz elektronowy poruszający się w metalu kondensuje w ciecz par Coopera, którą nazwiemy „kondensatem”. Promień takiej pary wynosi około 300 angstremów, czyli znacznie więcej niż odległość między sąsiednimi atomami (kilka angstremów). W morzu par Coopera trudno wyobrazić sobie fale lub fale krótsze niż same pary. Dlatego niejednorodności sieci o wymiarach nie większych niż dziesięć angstremów nie stanowią przeszkody dla przepływu kondensatu i nie występują straty energii. To jest główna przyczyna nadprzewodnictwa”.

Wciąż trudno sobie wyobrazić wszystkie konsekwencje tego odkrycia. Efekt nadprzewodnictwa został już z powodzeniem wykorzystany w szybkich japońskich pociągach Maglev. „Nadprzewodzące systemy magnetyczne o unikalnych właściwościach zostały stworzone i działają” – pisze R. Bachtamov – „Lockheed, na przykład, zbudował elektromagnes, który waży 85 kilogramów i wytwarza pole magnetyczne o wartości 15 XNUMX erstedów.

Największe magnesy nadprzewodzące o polu 30-40 tys. erstedów i wielkości około 4 metrów pracują już w wielu laboratoriach akceleratorowych w Europie i Ameryce, powstały magnesy o polu do 170 tys. erstedów.

Trwają prace nad stworzeniem największych maszyn elektrycznych – turbogeneratorów i hydrogeneratorów z nadprzewodnikowymi układami wzbudzenia.

Nadprzewodniki otwierają zupełnie nowe możliwości w tworzeniu komputerów. Prąd w układach nadprzewodzących jest idealnym urządzeniem magazynującym, zdolnym do przechowywania kolosalnych ilości danych i odzyskiwania ich z fantastyczną szybkością...

Uzyskano już stopy, które zachowują nadprzewodnictwo w temperaturze 18–20 stopni Kelvina. Stworzenie substancji, która miałaby właściwości w temperaturze co najmniej 100 stopni Kelvina doprowadziłoby do rewolucji w elektrotechnice. Współczesna nauka wierzy, że problem jest realny, a konsekwencje jego rozwiązania można określić jednym słowem – fantastyczne.”

Autor: Samin D.K.

Polecamy ciekawe artykuły Sekcja Najważniejsze odkrycia naukowe:

▪ Elektron

▪ Biosfera

▪ Ludzki genom

Zobacz inne artykuły Sekcja Najważniejsze odkrycia naukowe.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt 06.05.2024

Dźwięki, które otaczają nas we współczesnych miastach, stają się coraz bardziej przeszywające. Jednak niewiele osób myśli o tym, jak ten hałas wpływa na świat zwierząt, zwłaszcza na tak delikatne stworzenia, jak pisklęta, które nie wykluły się jeszcze z jaj. Najnowsze badania rzucają światło na tę kwestię, wskazując na poważne konsekwencje dla ich rozwoju i przetrwania. Naukowcy odkryli, że narażenie piskląt zebry rombowatej na hałas uliczny może spowodować poważne zakłócenia w ich rozwoju. Eksperymenty wykazały, że zanieczyszczenie hałasem może znacznie opóźnić wykluwanie się piskląt, a pisklęta, które się wykluwają, borykają się z szeregiem problemów zdrowotnych. Naukowcy odkryli również, że negatywne skutki zanieczyszczenia hałasem rozciągają się na dorosłe ptaki. Zmniejszone szanse na rozrodczość i zmniejszona płodność wskazują na długoterminowe skutki, jakie hałas drogowy wywiera na dziką przyrodę. Wyniki badania podkreślają taką potrzebę ... >>

Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D 06.05.2024

W świecie nowoczesnych technologii audio producenci dążą nie tylko do nienagannej jakości dźwięku, ale także do łączenia funkcjonalności z estetyką. Jednym z najnowszych innowacyjnych kroków w tym kierunku jest nowy bezprzewodowy system głośników Samsung Music Frame HW-LS60D, zaprezentowany podczas wydarzenia World of Samsung 2024. Samsung HW-LS60D to coś więcej niż tylko system głośników, to sztuka dźwięku w stylu ramki. Połączenie 6-głośnikowego systemu z obsługą Dolby Atmos i stylowej konstrukcji ramki na zdjęcia sprawia, że produkt ten będzie idealnym dodatkiem do każdego wnętrza. Nowa ramka Samsung Music Frame jest wyposażona w zaawansowane technologie, w tym Adaptive Audio zapewniający wyraźne dialogi na każdym poziomie głośności oraz automatyczną optymalizację pomieszczenia w celu uzyskania bogatej reprodukcji dźwięku. Dzięki obsłudze połączeń Spotify, Tidal Hi-Fi i Bluetooth 5.2, a także integracji inteligentnego asystenta, ten głośnik jest gotowy, aby zaspokoić Twoje ... >>

Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi 05.05.2024

Współczesny świat nauki i technologii rozwija się dynamicznie i każdego dnia pojawiają się nowe metody i technologie, które otwierają przed nami nowe perspektywy w różnych dziedzinach. Jedną z takich innowacji jest opracowanie przez niemieckich naukowców nowego sposobu sterowania sygnałami optycznymi, co może doprowadzić do znacznego postępu w dziedzinie fotoniki. Niedawne badania pozwoliły niemieckim naukowcom stworzyć przestrajalną płytkę falową wewnątrz falowodu ze stopionej krzemionki. Metoda ta, bazująca na zastosowaniu warstwy ciekłokrystalicznej, pozwala na efektywną zmianę polaryzacji światła przechodzącego przez falowód. Ten przełom technologiczny otwiera nowe perspektywy rozwoju kompaktowych i wydajnych urządzeń fotonicznych zdolnych do przetwarzania dużych ilości danych. Elektrooptyczna kontrola polaryzacji zapewniona dzięki nowej metodzie może stanowić podstawę dla nowej klasy zintegrowanych urządzeń fotonicznych. Otwiera to ogromne możliwości dla ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum

Geny przeciw grawitacji 27.03.2015

Urządzenie żywych organizmów zależy od tego, gdzie żyją, a ogromna liczba bardzo różnych czynników determinuje budowę ciała, fizjologię i zachowanie - nawet u bakterii, nawet u ludzi. Wśród tych czynników można wyróżnić te najbardziej uniwersalne, które łatwo wymienić: na przykład temperatura otoczenia, wilgotność, stężenie tlenu w powietrzu lub wodzie. Ale jest coś, o czym rzadko się wspomina. Mówimy o sile grawitacji, która działa na wszystkich i zawsze. Czy mogłaby odegrać rolę w kształtowaniu wyglądu żywych istot?

Biolodzy zadają to pytanie od dawna: na przykład 100 lat temu D'Arcy Thompson zasugerował, że u zwierząt kształt ciała w dużej mierze determinuje siła grawitacji, a gdyby była dwukrotnie większa na Ziemi, u naczelnych nie rozwinęłaby się żadna wyprostowana postawa, a ogólnie wszystkie czworonogi byłyby krótkonogie i poruszałyby się jak jaszczurki. Najwyraźniej ewolucja musiała jakoś reagować na czynnik grawitacyjny, ale jakie mechanizmy molekularno-komórkowe pomogły nam przystosować się do grawitacji, możemy się dopiero teraz dowiedzieć.

Makoto Furutani-Seiki (Makoto Furutani-Seiki) wraz z kolegami z Uniwersytetu w Bath oraz przy udziale badaczy z Japonii, Austrii i Stanów Zjednoczonych udało się znaleźć gen, który odpowiada za powstawanie „ trójwymiarowe" ciało u zwierząt. Gdy został wyłączony u ryb, rozwój tkanek był zaburzony, były one nieprawidłowo położone względem siebie, a całe ciało było mocno spłaszczone w kierunku siły grawitacji. Jeśli to nie zadziałało w hodowanych komórkach ludzkich, przestawały się one łączyć w klastry wolumetryczne. W artykule w Nature autorzy piszą, że ten gen, zwany YAP, służy jako regulator maszyny molekularnej, która kontroluje siły mechaniczne w komórkach i pomiędzy komórkami – prawidłowe rozłożenie takich sił jest niezbędne do wytworzenia większości narządów i części ciała. Z grubsza mówiąc, dzięki YAP możemy oprzeć się grawitacji i generalnie mamy mniej lub bardziej obszerne, a nie płaskie ciało.

Jak dokładnie działa gen antygrawitacyjny, jak i kiedy się włącza oraz jakie inne geny są pod jego kontrolą, musimy się jeszcze dowiedzieć. Dalsze eksperymenty nie tylko ujawnią, dlaczego wyglądamy tak, jak wyglądamy teraz, ale także pomogą opracować niezawodne metody tworzenia sztucznych narządów. Kontrolując układ genetyczny odpowiedzialny za „obfitość” narządu, możemy np. wyhodować w laboratorium wątrobę lub nerkę odpowiedniej wielkości, która nie będzie się różnić od prawdziwych – w celu późniejszego przeszczepienia ich do wymienić zepsute.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Rozmiar podpisu i narcyzm

▪ Kieszonkowy tuner TV Canopus

▪ Skuter elektryczny Xiaomi

▪ Karta graficzna MSI Radeon R9 290X Lightning

▪ Kolejna bariera dla Marsa

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja serwisu Bezpieczeństwo i ochrona. Wybór artykułu

▪ artykuł Alma Mater. Popularne wyrażenie

▪ artykuł Jak długo patriarcha Konstantynopola Focjusz przeszedł wszystkie stopnie oddzielające laika od głowy duchowieństwa? Szczegółowa odpowiedź

▪ Artykuł Wymagania dotyczące organizacji miejsca pracy

▪ artykuł Notatnik elektroniczny. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

▪ artykuł Karty do skakania. Sekret ostrości

Zostaw swój komentarz do tego artykułu:

Wszystkie języki tej strony

Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn