धातुओं की अतिचालकता, हाइक कामेरलिंग-ओन्स की खोज

अतिचालकता की घटना के बारे में जानने वाले पहले व्यक्ति हेइके कामेरलिंग ओन्स - डच भौतिक विज्ञानी और रसायनज्ञ। घटना की खोज का वर्ष 1911 था। और पहले से ही 1913 में, वैज्ञानिक को उनके शोध के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार मिलेगा।

अल्ट्रा-कम तापमान पर पारा के विद्युत प्रतिरोध का अध्ययन करते हुए, वह यह निर्धारित करना चाहता था कि किसी पदार्थ का प्रतिरोध किस स्तर तक गिर सकता है यदि उसे अशुद्धियों से साफ किया जाए, और जितना संभव हो उतना कम किया जा सके बुलाया। »थर्मल शोर“, यानी इन पदार्थों के तापमान को कम करने के लिए। परिणाम अप्रत्याशित और आश्चर्यजनक थे। 4.15 K से नीचे के तापमान पर पारा का प्रतिरोध अचानक पूरी तरह से गायब हो गया!

ओन्स ने जो देखा उसका एक ग्राफ नीचे दिया गया है।

उन दिनों विज्ञान कम से कम इतना तो जानता ही था धातुओं में विद्युत धारा इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह है, जो उनके परमाणुओं से अलग हो जाते हैं और आवेशित गैस की तरह विद्युत क्षेत्र द्वारा दूर ले जाए जाते हैं।यह हवा की तरह है जब हवा उच्च दबाव वाले क्षेत्र से कम दबाव वाले क्षेत्र में चलती है। केवल अब, वर्तमान के मामले में, हवा के बजाय मुक्त इलेक्ट्रॉन हैं, और तार के सिरों के बीच संभावित अंतर हवा के उदाहरण के लिए दबाव अंतर के समान है।

डाइलेक्ट्रिक्स में, यह असंभव है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन अपने परमाणुओं से कसकर बंधे होते हैं और उन्हें उनके स्थानों से फाड़ना बहुत मुश्किल होता है। और यद्यपि धातुओं में धारा बनाने वाले इलेक्ट्रॉन अपेक्षाकृत स्वतंत्र रूप से चलते हैं, वे कभी-कभी कंपन परमाणुओं के रूप में बाधाओं से टकराते हैं और एक प्रकार का घर्षण होता है जिसे कहा जाता है विद्युतीय प्रतिरोध.

लेकिन जब अति-निम्न तापमान पर यह स्वयं प्रकट होने लगता है अतिचालकता, घर्षण प्रभाव किसी कारण से गायब हो जाता है, कंडक्टर का प्रतिरोध शून्य हो जाता है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से स्वतंत्र रूप से चलते हैं, बेरोकटोक। लेकिन यह कैसे संभव है?

इस प्रश्न का उत्तर खोजने के लिए, भौतिकविदों ने दशकों तक शोध किया है। और आज भी साधारण तारों को "सामान्य" तार कहा जाता है, जबकि शून्य प्रतिरोध की स्थिति में कंडक्टर "सुपरकंडक्टर्स" कहलाते हैं.

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यद्यपि सामान्य कंडक्टर घटते तापमान के साथ अपने प्रतिरोध को कम करते हैं, तांबा, कई केल्विन के तापमान पर भी, सुपरकंडक्टर नहीं बनता है, और पारा, सीसा और एल्यूमीनियम करते हैं, उनका प्रतिरोध कम से कम सौ ट्रिलियन हो जाता है समान परिस्थितियों में तांबे की तुलना में कई गुना कम।

यह ध्यान देने योग्य है कि ओन्स ने निराधार दावे नहीं किए कि धारा के पारित होने के दौरान पारा का प्रतिरोध बिल्कुल शून्य हो गया, और केवल इतना नहीं गिरा कि उस समय के उपकरणों के साथ इसे मापना असंभव हो गया।

उन्होंने एक प्रयोग स्थापित किया जिसमें तरल हीलियम में डूबे एक सुपरकंडक्टिंग कॉइल में करंट तब तक घूमता रहा जब तक कि जिन्न वाष्पित नहीं हो गया। कुंडली के चुंबकीय क्षेत्र का अनुसरण करने वाली कम्पास सुई बिल्कुल भी विचलित नहीं हुई! 1950 में, इस तरह का एक अधिक सटीक प्रयोग डेढ़ साल तक चलेगा, और इतने लंबे समय के बावजूद करंट किसी भी तरह से कम नहीं होगा।

प्रारंभ में, यह ज्ञात है कि धातु का विद्युत प्रतिरोध तापमान पर महत्वपूर्ण रूप से निर्भर करता है, आप तांबे के लिए ऐसा ग्राफ बना सकते हैं।

तापमान जितना अधिक होता है, परमाणु उतना ही अधिक कंपन करते हैं। जितना अधिक परमाणु कंपन करते हैं, उतना ही महत्वपूर्ण वे विद्युत धारा बनाने वाले इलेक्ट्रॉनों के मार्ग में बाधा बन जाते हैं। यदि धातु का तापमान घटता है, तो इसका प्रतिरोध कम हो जाएगा और एक निश्चित अवशिष्ट प्रतिरोध R0 तक पहुंच जाएगा। और यह अवशिष्ट प्रतिरोध, जैसा कि यह निकला, नमूने की संरचना और "पूर्णता" पर निर्भर करता है।

तथ्य यह है कि धातु से बने किसी भी नमूने में दोष और अशुद्धियाँ पाई जाती हैं। यह निर्भरता 1911 में सभी के ऊपर दिलचस्पी थी, शुरू में उन्होंने सुपरकंडक्टिविटी के लिए प्रयास नहीं किया, लेकिन केवल अपने अवशिष्ट प्रतिरोध को कम करने के लिए कंडक्टर की ऐसी आवृत्ति प्राप्त करना चाहते थे।

उन वर्षों में, पारे को शुद्ध करना आसान था, इसलिए शोधकर्ता ने संयोग से इसका सामना किया, इस तथ्य के बावजूद कि प्लैटिनम, सोना और तांबा साधारण तापमान पर पारे की तुलना में बेहतर संवाहक हैं, उन्हें शुद्ध करना अधिक कठिन है।

जैसे ही तापमान घटता है, सुपरकंडक्टिंग स्थिति एक निश्चित क्षण में अचानक होती है जब तापमान एक निश्चित महत्वपूर्ण स्तर तक पहुंच जाता है। इस तापमान को क्रिटिकल कहा जाता है, जब तापमान और भी कम हो जाता है, तो प्रतिरोध तेजी से शून्य हो जाता है।

नमूना जितना शुद्ध होता है, बूंद उतनी ही तेज होती है, और शुद्धतम नमूनों में यह गिरावट एक डिग्री के सौवें हिस्से से कम के अंतराल में होती है, लेकिन नमूना जितना अधिक प्रदूषित होता है, बूंद उतनी ही लंबी और दसियों डिग्री तक पहुंचती है, यह विशेष रूप से है में ध्यान देने योग्य उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स.

नमूने का महत्वपूर्ण तापमान तेज ड्रॉप अंतराल के बीच में मापा जाता है और प्रत्येक पदार्थ के लिए अलग-अलग होता है: पारा 4.15K के लिए, नाइओबियम के लिए, 9.2K, एल्यूमीनियम के लिए, 1.18K, आदि। मिश्र धातु एक अलग कहानी है, उनकी सुपरकंडक्टिविटी की खोज बाद में ओन्स ने की थी: सोने के साथ पारा और टिन के साथ पारा पहली सुपरकंडक्टिंग मिश्र धातु थी जिसकी उन्होंने खोज की थी।

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, वैज्ञानिक ने तरल हीलियम के साथ शीतलन का प्रदर्शन किया। वैसे, ओनेस ने अपनी विधि के अनुसार तरल हीलियम प्राप्त किया, जिसे अपनी विशेष प्रयोगशाला में विकसित किया गया, जिसकी स्थापना सुपरकंडक्टिविटी की घटना की खोज से तीन साल पहले की गई थी।

सुपरकंडक्टिविटी के भौतिकी के बारे में थोड़ा समझने के लिए, जो नमूने के एक महत्वपूर्ण तापमान पर होता है ताकि प्रतिरोध शून्य हो जाए, इसका उल्लेख किया जाना चाहिए चरण संक्रमण… सामान्य स्थिति, जब धातु में सामान्य विद्युत प्रतिरोध होता है, सामान्य चरण होता है। अतिचालक चरण - यह वह अवस्था है जब धातु का प्रतिरोध शून्य होता है। यह चरण संक्रमण महत्वपूर्ण तापमान के तुरंत बाद होता है।

चरण संक्रमण क्यों होता है? प्रारंभिक "सामान्य" स्थिति में, इलेक्ट्रॉन अपने परमाणुओं में सहज होते हैं, और जब इस अवस्था में एक तार के माध्यम से धारा प्रवाहित होती है, तो स्रोत की ऊर्जा कुछ इलेक्ट्रॉनों को अपने परमाणुओं को छोड़ने और विद्युत क्षेत्र के साथ चलने के लिए मजबूर करने के लिए खर्च की जाती है, भले ही उनके रास्ते में टिमटिमाती बाधाओं का सामना करना पड़े।

जब तार को क्रांतिक तापमान से कम तापमान पर ठंडा किया जाता है और उसी समय इसके माध्यम से एक करंट स्थापित किया जाता है, तो यह इलेक्ट्रॉनों (ऊर्जा अनुकूल, ऊर्जा सस्ती) के लिए इस धारा में रहने और मूल में लौटने के लिए अधिक सुविधाजनक हो जाता है। "सामान्य" स्थिति, इस मामले में कहीं से अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त करना आवश्यक होगा, लेकिन यह कहीं से नहीं आता है। इसलिए, अतिचालक अवस्था इतनी स्थिर होती है कि पदार्थ इसे तब तक नहीं छोड़ सकता जब तक कि इसे दोबारा गर्म न किया जाए।

यह सभी देखें:मीस्नर प्रभाव और इसका उपयोग