გაანალიზებულია ზეგამტარობის თეორიების მოკლე მიმოხილვა და მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარობის პრობლემები. ზეგამტარობა - ფიზიკის ცოდნა და სხვა - ლ.ჯ. რა არის სუპერგამტარობის ფენომენის გამოვლინება

სუპერგამტარობის სასწაული(ავტორი ვალერი სტაროშჩუკი)

ცოტა თეორია

ელექტროენერგიაზე უკვე პირველმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ვერცხლი, სპილენძი და ალუმინი კარგად ატარებენ ელექტრო დენს, ხოლო ფაიფური, მინა, რეზინი და აბრეშუმი პრაქტიკულად არ ატარებენ მას. შესაბამისად, ადამიანებმა დაიწყეს დირიჟორების დამზადება პირველი მასალებისგან, ხოლო მეორისგან - სადენების იზოლაციისა და ელექტროშოკისგან დაცვა. ფოტოზე ხედავთ თანამედროვე ორბირთვიან ქსელურ კაბელს. თითოეული ბირთვი შედგება შვიდი სპილენძის მავთულისგან, რომლებიც ჩასმულია პლასტმასის იზოლაციაში. იმის გათვალისწინებით, რომ მავთული მუშაობს სახიფათო ძაბვაზე 220 ვ, ორი იზოლირებული მავთული დაფარულია პლასტიკური იზოლაციის კიდევ ერთი საერთო ფენით.

როდესაც ელექტრული დენი გადის გამტარში, ის თბება. ეს თვისება გამოიყენება გათბობის მოწყობილობებში, როგორიცაა უთოები, ქვაბები, ელექტრო ბატარეები და ასევე ინკანდესენტურ ნათურებში. ფოტოზე ხედავთ ვოლფრამის ძაფს, რომელიც ისე გაცხელდა დენის გავლენით, რომ დაიწყო სინათლის გამოსხივება.

ახლა ენერგიის დაზოგვის ფლუორესცენტური ნათურები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება, მაგრამ მათ ასევე აქვთ ელექტრონების გამოსხივების მცირე ძაფი.

თუ დენი გადის გამტარში, ის არა მხოლოდ თბება, არამედ თავის გარშემო ქმნის მაგნიტურ ველს. ეს ქონება პირველად შენიშნა და აღწერა დანიელმა მეცნიერმა ჰანს კრისტიან ოერსტედმა 1820 წელს. ფოტოზე ხედავთ, თუ როგორ, მაგნიტური ველის გავლენის ქვეშ, რკინის ჩირქები დგანან სპილენძის გამტარის გარშემო, რომელიც ატარებს დენს.

დენის მაგნიტური ველი გამოიყენება ელექტროძრავის, გენერატორის და ელექტრომაგნიტის მუშაობაში.

ასე რომ, თუ დენი გადის გამტარში, მაშინ დენის წყაროს ენერგია გარდაიქმნება თერმული და ელექტრომაგნიტური ველის ენერგიად. ზოგჯერ ის აუცილებელი და სასარგებლოა, ზოგჯერ კი უბრალოდ საზიანოა. მაგალითად, რატომ გვჭირდება გათბობა და იმ მავთულის მაგნიტური ველი, რომლითაც რკინა შევაერთეთ გამოსასვლელთან? მავთულები, რომლებითაც ელექტროსადგურიდან ჩვენს სახლებში მიდის ელექტრო დენი, ასევე თბება. ამ ენერგიის დანაკარგების შესამცირებლად ისინი ცდილობენ გამტარის წინაღობა მაქსიმალურად მცირე გახადონ.

ვინაიდან ნიმუშის ელექტრული წინააღმდეგობა ძლიერ არის დამოკიდებული მასალაზე, საიდანაც იგი მზადდება, ტემპერატურასა და გეომეტრიულ ზომებზე, გადავწყვიტეთ გავზომოთ წინააღმდეგობა, ანუ, ამ მასალის ნიმუშის წინააღმდეგობა 1 მ სიგრძით, 1 მმ 2 განივი ფართობით 20 0 C ტემპერატურაზე. მაგალითად, სპილენძის წინაღობა არის r = 0,0125 Ohm მმ 2 / მ. ეს ნიშნავს, რომ თუ აიღებთ სპილენძის (Cu) გამტარს 1 მ სიგრძით და 1 მმ 2 განივი ფართობით, მაშინ მისი წინააღმდეგობა ელექტრული დენის მიმართ იქნება 0,0125 Ohm. წინააღმდეგობა შესაძლებელს ხდის იმის გარკვევას, თუ რამდენი დენი გაივლის გამტარს მოცემული ძაბვისთვის. მაგალითად, თუ ჩვენი ნიმუშის ბოლოებზე ძაბვა არის 0,1 ვ, მაშინ მასში გაივლის დენი I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A. სიცხადისთვის, წარმოვიდგინოთ ელექტრონები გაშვებული ლურჯი მამაკაცის სახით.

შემდეგ, 8A დენით, ერთ წამში გადაეყრებიან გამტარს 5·10 19 (50 მილიარდი მილიარდი!). ეს თითქმის 70 მილიარდჯერ მეტია, ვიდრე დედამიწაზე მცხოვრები ადამიანები არიან. გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ ერთი და იგივე რიცხვი ამოიწურება დირიჟორიდან წამში. ჩვენ შევთანხმდით, რომ დენის მიმართულება განისაზღვრება დადებითად დამუხტული ნაწილაკების მოძრაობით. მაგრამ მეტალებში უარყოფითი ელექტრონები ატარებენ დენს, ამიტომ დენის მიმართულება ნაჩვენებია ელექტრონების სიჩქარის საპირისპიროდ. გამტარი შეიცავს დადებით სპილენძის იონებს, რომლებსაც ჩვენი ადამიანური ელექტრონები თამაშობენ ხელებით დაჭერით. ყოველივე ამის შემდეგ, არსებობს მიმზიდველი ძალები უარყოფით ელექტრონებსა და დადებით იონებს შორის. ელექტრონი ვერ შეძლებს იონის თან წაიღოს, რადგან იონები ელექტრონებზე ბევრად მძიმეა და ერთმანეთთან მჭიდროდ არიან შეკრული კრისტალური მედის ძალებით. მაგრამ ჩვენი "პატარა კაცები" შეძლებენ იონების გადატუმბვას. ამ შემთხვევაში ელექტრონები კარგავენ სიჩქარეს და, შესაბამისად, მოძრაობის ენერგიას და შესაბამისად თბება გამტარი.

აღმოჩენის ისტორია

ჰოლანდიელმა მეცნიერმა ჰეიკე კამერლინგ ონესმა (მარჯვნივ სურათზე) გადაწყვიტა მსოფლიოში პირველი ყოფილიყო, ვინც თავის ექსპერიმენტებში მიაღწია აბსოლუტურ ნულს კელვინის შკალაზე (დაახლოებით მინუს 273 გრადუსი ცელსიუსი). მოგეხსენებათ, ბუნებაში დაბალი ტემპერატურა არ არის. ორმოცი წლის მეცნიერმა, ჰოლანდიელ მრეწველებთან კავშირების გამოყენებით, 1893 წელს ლეიდენის უნივერსიტეტში დაიწყო მსოფლიოში ერთ-ერთი საუკეთესო ლაბორატორიის მშენებლობა, რომელიც მან აღჭურვა ყველაზე თანამედროვე აპარატურით. პირველი წარმატება მოვიდა 1908 წლის 10 ივლისს, როდესაც შესაძლებელი გახდა თხევადი ჰელიუმის მიღება 5K ტემპერატურაზე (ეს არის მინუს 268 გრადუსი ცელსიუსი!). 2 წლიანი შრომის შემდეგ ისინი იღებენ ტემპერატურას 1K! შემდეგ კი მეცნიერი ხვდება, რომ ეს არის ზღვარი, რომლის მიღწევაც შესაძლებელია ამ აპარატურით, ამიტომ მიიღება გადაწყვეტილება სამეცნიერო მუშაობის მიმართულების შეცვლაზე. ახლა ყველა ძალისხმევა მიმართული იყო სხვადასხვა მასალის ფიზიკური თვისებების შესწავლაზე დაბალ ტემპერატურაზე. ბუნებრივია, პროგრამის ერთ-ერთი პუნქტი მოიცავდა მასალის ელექტრული წინაღობის გაზომვას. იმდროინდელი მრავალი მეცნიერი ვარაუდობდა, რომ ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე ლითონები დიელექტრიკულებად უნდა იქცეს. ვითომ, თავისუფალი ელექტრონები ისე შეანელებენ მოძრაობას, რომ იონებს „ჩაეჭიდებიან“ და ელექტროენერგიის გადაცემას ვერ შეძლებენ. მაგრამ ფიზიკა მეცნიერებაა, პირველ რიგში ექსპერიმენტული! ჰეიკე კამერლინგ ონესის ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ პლატინის წინააღმდეგობა არ იზრდება ტემპერატურის კლებასთან ერთად, არამედ მცირდება და 4K-ის შემდეგ მუდმივი რჩება. მეცნიერმა გამოთქვა ვარაუდი, რომ წინააღმდეგობა უნდა იყოს ნულისკენ, რადგან იონები აჩერებენ მათ რხევად მოძრაობას და „არ ერევიან“ თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობაში. გააცნობიერა, რომ პლატინი შეიცავდა მცირე მინარევებს, მან გადაწყვიტა გამოეცადა ვერცხლისწყალი, ყველაზე დახვეწილი ლითონი.

1911 წლის 8 აპრილს ჰეიკე კამერლინგ ონნესის ჯგუფმა ასისტენტ კორნელის დორსმანთან და ჟილ ჰოლსტთან ერთად გამოსცადა ახალი კრიოსტატის მოქმედება (მოცულობით დაბალი ტემპერატურის შესანარჩუნებელი მოწყობილობა). თავდაპირველად ისინი ფიქრობდნენ მხოლოდ თხევადი ჰელიუმით ავსებაზე, მაგრამ შემდეგ დაამონტაჟეს გაზის თერმომეტრი და ოქროსა და ვერცხლისწყლის ორი ნიმუში მათი წინააღმდეგობის გასაზომად. როდესაც გავზომეთ ლითონების წინააღმდეგობა 4.3 K-ზე, გადავწყვიტეთ შეგვემცირებინა წნევა კრიოსტატში ჰელიუმზე. ჰელიუმმა სწრაფად დაიწყო აორთქლება და ტემპერატურა 3კ-მდე დაეცა. ექსპერიმენტი უკვე 9 საათს გაგრძელდა! განმეორებითი გაზომვისას ვერცხლისწყლის წინააღმდეგობა ნული აღმოჩნდა! ასე აღმოაჩინეს ზეგამტარობა!

ფოტოზე ხედავთ მეცნიერის იმ დღეს გაკეთებულ ისტორიულ ჩანაწერს. ჩარჩოში ჩასმულიჰოლანდიური ფრაზა აღებულია Kwik nagenoeg nul- "ვერცხლისწყლის წინააღმდეგობა თითქმის ნულის ტოლია" (3 K). შემდეგი შეთავაზება ჰერჰალდი გუდს შეხვდანიშნავს "ოქროთი განმეორებით".

ვერცხლისწყლის ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლისთვის კრიტიკული ტემპერატურა იმ დღეს არ იყო განსაზღვრული და ასეთი ამოცანა არ იყო დაყენებული. ეს გაირკვა მომდევნო ექსპერიმენტში, რომელიც ჩატარდა 11 მაისს. შემდეგ კამერლინგ ონესი მივიდა იმ დასკვნამდე, რომ ვერცხლისწყალი ხდება ზეგამტარი, როდესაც გაცივდება 4,2 კ-მდე.

შემდგომში აღმოჩენები ერთმანეთის მიყოლებით მოვიდა. 1912 წელს კიდევ ორი სუპერგამტარი აღმოაჩინეს - ტყვია და კალა. 1914 წელს მათ გააცნობიერეს, რომ ძლიერი მაგნიტური ველი ანადგურებს ზეგამტარობას. იმავე წელს ჩატარდა სანახაობრივი ექსპერიმენტი სუპერგამტარი ტყვიის რგოლით. მასში ხანმოკლე დენი იყო ინდუცირებული, შემდეგ კი მისი ცირკულაცია შეინიშნებოდა რამდენიმე საათის განმავლობაში ოდნავი შესუსტების გარეშე. ბეჭედი თავად ხდება მაგნიტი.

1919 წელს ლეიდენიდან მოვიდა ინფორმაცია, რომ ტალიუმი და ურანი ასევე ზეგამტარებად ხდებიან.

განმარტა სუპერგამტარობა

შეუძლებელია ზეგამტარობის ფენომენის ახსნა კლასიკური ელექტროდინამიკის თვალსაზრისით. მხოლოდ კვანტური ფიზიკის განვითარებით 1957 წელს (აღმოჩენიდან 46 წელი!) სამმა ამერიკელმა ფიზიკოსმა - ბარდინმა, კუპერმა და შრიფერმა - ახსნეს ზეგამტარობა ელექტრონების დაწყვილებით, ანუ კუპერის წყვილების წარმოქმნით, რაც ხდება ბროლის უჯრედის - ფონონების ვიბრაციების გაცვლა.

იმის გასაგებად, თუ როგორ იქმნება კუპერის წყვილი, განიხილეთ ზეგამტარში დენის ნაკადის ძალიან გამარტივებული მოდელი.

წითელი წრეები მიუთითებს კრისტალური მედის დადებით იონებს.

როდესაც ელექტრონი A მოძრაობს მედის სივრცეში ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ, ის ოდნავ ღუნავს მას. შედეგად, მის უკან დადებითი იონების კონცენტრაცია იზრდება. დადებითი იონების კლასტერი იზიდავს უარყოფით ელექტრონს B ძალით F. შედეგად, ენერგია, რომელიც ელექტრონმა A დახარჯა იონური კრისტალური ბადის გავლით, გისოსის ვიბრაციებით გადადის ელექტრონ B-ზე. გამოდის, რომ ელექტრონები A და B დაკავშირებულია. ერთმანეთს იონური გისოსის მეშვეობით ქმნიან წყვილს და ერთად არ ხარჯავთ ენერგიას მოძრაობისას. მიმდინარე წინააღმდეგობა ამ შემთხვევაში არის ნულოვანი.

ზეგამტარების გამოყენება

თანამედროვე მეცნიერებამ უკვე მოიპოვა მასალები, რომლებიც ავლენენ სუპერგამტარობას 165K (მინუს 107 0 C). თუ მიიღება მასალები, რომლებიც ზეგამტარია ოთახის ტემპერატურაზე, ეს იქნება უზარმაზარი ნახტომი კაცობრიობის განვითარებაში. ბოლოს და ბოლოს, ჩვენ ვხარჯავთ ელექტროენერგიის მესამედს მისი წყაროდან მომხმარებელზე გადაცემისას. იმავდროულად, ზეგამტარები უნდა გაცივდეს თხევადი აზოტით.

მეორეს მხრივ, მათ გარეშე უკვე ძნელი წარმოსადგენია დიდი ადრონული კოლაიდერის მუშაობა CERN-ში და ITER თერმობირთვული რეაქტორის მშენებლობა კადარაში.

სუპერგამტარობას ასევე ახასიათებს მაისნერის ეფექტი, რომელიც შედგება მაგნიტური ველის სრულ გადაადგილებაში სუპერგამტარის მოცულობიდან. შედეგად, ნიმუში, როგორც ფოტოზე ჩანს, მაგნიტის ზემოთ ტრიალებს.

ამ ფენომენის საფუძველზე უკვე შეიქმნა მაგნიტური ლევიტაციური მატარებლები, რომლებსაც შეუძლიათ 500 კმ/სთ სიჩქარის აჩქარება.

ძლიერი ზეგამტარი მაგნიტები გამოიყენება მედიცინაში ტომოგრაფის შესაქმნელად ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის (NMR) პრინციპის გამოყენებით. ადამიანის ქსოვილის სკანირება საშუალებას აძლევს ექიმებს კომპიუტერის ეკრანზე ნახონ შიგთავსის კვეთა პაციენტზე ოპერაციის გარეშე. ეს მეთოდი საშუალებას გაძლევთ სწრაფად დაისვას სწორი დიაგნოზი, რაც იმას ნიშნავს, რომ თქვენ შეგიძლიათ უფრო სწრაფად განკურნოთ პაციენტი.

ზეგამტარობის თანამედროვე კვანტური თეორია ძირეულად არ ზღუდავს ტემპერატურას, რომელზედაც შეიმჩნევა ეს ეფექტი. ასე რომ, საქმე ეხება ახალი მასალების და ნაერთების შექმნას, რომლებიც შესაძლოა უახლოეს მომავალში აღმოაჩინოთ.

1911 წელს ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა ჰ.კამერლინგ-ონესმა აღმოაჩინა ზეგამტარობის ფენომენი. მან გაზომა ვერცხლისწყლის ელექტრული წინააღმდეგობა დაბალ ტემპერატურაზე. ონესს სურდა გაერკვია, რამდენად დაბალი შეიძლება გახდეს ნივთიერების წინააღმდეგობა ელექტრული დენის მიმართ, თუ ნივთიერება მაქსიმალურად გაიწმინდება მინარევებისაგან და მაქსიმალურად შემცირდება „თერმული ხმაური“, ე.ი. ტემპერატურის შემცირება.

ამ კვლევის შედეგი მოულოდნელი იყო: 4,15 K-ზე დაბალ ტემპერატურაზე წინააღმდეგობა თითქმის მყისიერად გაქრა. ამ წინააღმდეგობის ქცევის გრაფიკი, როგორც ტემპერატურის ფუნქცია, ნაჩვენებია ნახ. 1.

ელექტრული დენი არის დამუხტული ნაწილაკების მოძრაობა. უკვე იმ დროს ცნობილი იყო, რომ ელექტრული დენი მყარ სხეულებში არის ელექტრონების ნაკადი. ისინი უარყოფითად დამუხტული და ბევრად მსუბუქია ვიდრე ატომები, რომლებიც ქმნიან ნებისმიერ ნივთიერებას.

თითოეული ატომი, თავის მხრივ, შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისა და ელექტრონებისგან, რომლებიც ურთიერთქმედებენ მასთან და ერთმანეთთან კულონის კანონის მიხედვით. თითოეული ატომური ელექტრონი იკავებს სპეციფიკურ „ორბიტას“. რაც უფრო ახლოს არის „ორბიტა“ ბირთვთან, მით უფრო ძლიერად იზიდავს მას ელექტრონი, მით მეტი ენერგიაა საჭირო ბირთვიდან ასეთი ელექტრონის გასაქრობად. პირიქით, ბირთვიდან ყველაზე შორი ელექტრონები ყველაზე ადვილად შორდებიან მას, თუმცა ამასაც ენერგია სჭირდება.

გარე ელექტრონებს უწოდებენ ვალენტურ ელექტრონებს. ნივთიერებებში, რომლებსაც ლითონები ჰქვია, ისინი ფაქტობრივად შორდებიან ატომებს, როდესაც ისინი გაერთიანდებიან მყარად და წარმოქმნიან თითქმის თავისუფალი ელექტრონების გაზს. ეს არის მარტივი, ლამაზი და ხშირად სწორი ფიზიკური სურათი: მატერიის ნაწილი ჰგავს ჭურჭელს, რომელშიც არის ელექტრონების „გაზი“ (ნახ. 2).

თუ ჩვენ შევქმნით ელექტრულ ველს - მივაყენებთ ძაბვას შესწავლილ ნივთიერების ნაჭერზე, ელექტრონულ აირში გაჩნდება ქარი, თითქოს წნევის სხვაობის გავლენის ქვეშ. ეს ქარი არის ელექტრული დენი.

ლითონები

ყველა ნივთიერება კარგად არ ატარებს ელექტროენერგიას. დიელექტრიკებში ვალენტური ელექტრონები რჩება „მიბმული“ ატომებთან და არც ისე ადვილია მათი გადაადგილება მთელ ნიმუშში.

საკმაოდ რთულია იმის ახსნა, თუ რატომ აღმოჩნდება ზოგიერთი ნივთიერება ლითონი, ზოგი კი დიელექტრიკები. ეს დამოკიდებულია იმაზე, თუ რა ატომებისგან შედგება და როგორ არის განლაგებული ეს ატომები. ზოგჯერ ტრანსფორმაციები შესაძლებელია, როდესაც იცვლება ატომების განლაგება, მაგალითად, წნევის გავლენის ქვეშ, ატომები ერთმანეთს უახლოვდება და დიელექტრიკი ხდება მეტალი.

დიელექტრიკებში დენი არ გადის, მაგრამ ელექტრონები არც მეტალებში მოძრაობენ სრულიად თავისუფლად. ისინი ხვდებიან ატომურ „ბირთს“, რომლიდანაც „გამოიჭრნენ“ და იფანტებიან მათზე. ამ შემთხვევაში ხდება ხახუნი ან, როგორც ამბობენ, ელექტრული დენი განიცდის წინააღმდეგობას.

ზეგამტარობით წინააღმდეგობა ქრება და ხდება ნულის ტოლი, ე.ი. ელექტრონების მოძრაობა ხდება ხახუნის გარეშე. იმავდროულად, ჩვენი ყოველდღიური ცხოვრების გამოცდილება გვიჩვენებს, როგორც ჩანს, ასეთი მოძრაობა შეუძლებელია.

ათწლეულების მანძილზე ფიზიკოსთა მუშაობა ამ წინააღმდეგობის გადაჭრას ისახავდა მიზნად.

აღმოჩენილი თვისება იმდენად უჩვეულოა, რომ ლითონებს, რომლებსაც აქვთ წინააღმდეგობა, ზეგამტარებისგან განსხვავებით, ე.წ ნორმალური.

წინააღმდეგობა

ლითონის ნაწილის (მაგალითად, მავთულის) ელექტრული წინააღმდეგობა იზომება ომებში და განისაზღვრება ნიმუშის ზომითა და მასალის მიხედვით. ფორმულაში

რ = ρ × ლ / ს

რ- წინააღმდეგობა, ლ- სიგრძე (ნიმუშის ზომა იმ მიმართულებით, რომლითაც მიედინება დენი), ს- ნიმუშის ჯვარი მონაკვეთი. ასეთი ფორმულის დაწერის შემდეგ, ჩვენ, როგორც ჩანს, ვაგრძელებთ ელექტრონების გაზთან შედარებას: რაც უფრო ფართო და მოკლეა მილი, მით უფრო ადვილია მასში გაზის აფეთქება.

მნიშვნელობა ρ — წინააღმდეგობა, რომელიც ახასიათებს იმ მასალის თვისებებს, საიდანაც მზადდება ნიმუში.

ოთახის ტემპერატურაზე სუფთა სპილენძისთვის ρ = 1,75·10 -6 Ohm სმ.

სპილენძი არის ერთ-ერთი ყველაზე მაღალი გამტარი ლითონი და ფართოდ გამოიყენება ელექტრო სადენების დასამზადებლად. ზოგიერთი სხვა ლითონი ნაკლებად ატარებს ელექტროენერგიას ოთახის ტემპერატურაზე:

შედარებისთვის წარმოგიდგენთ ზოგიერთი დიელექტრიკის წინაღობას, ასევე ოთახის ტემპერატურაზე:

როცა ტემპერატურა ეცემა თსპილენძის წინაღობა თანდათან მცირდება და რამდენიმე კელვინის ტემპერატურაზე არის 10 -9 Ohm სმ, მაგრამ სპილენძი არ ხდება სუპერგამტარი. და ალუმინი, ტყვია, ვერცხლისწყალი გადადის ზეგამტარ მდგომარეობაში და მათთან ჩატარებული ექსპერიმენტები აჩვენებს, რომ სუპერგამტარის წინაღობა ნებისმიერ შემთხვევაში არ აღემატება 10 -23 Ohm სმ - ას ტრილიონჯერ ნაკლები სპილენძის!

ნარჩენი წინააღმდეგობა

ლითონის წინაღობა დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. პირობითი გრაფიკი ρ( თ), ვთქვათ, სპილენძისთვის, ხედავთ ნახ. 3. რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით მეტია წინააღმდეგობა, მით უფრო ვიბრირებს ატომური „ბირთვები“, რომლებიც ქმნიან ლითონს და მით უფრო დიდ ჩარევას უქმნიან ისინი ელექტრო დენს. თუ, პირიქით, მივაახლოებთ ტემპერატურას აბსოლუტურ ნულთან, ნიმუშის წინააღმდეგობა "მიისწრაფვის" ρ 0 - ნარჩენი წინააღმდეგობა. ნარჩენი წინააღმდეგობა დამოკიდებულია ნიმუშის სრულყოფილებასა და შემადგენლობაზე. ნებისმიერ ნივთიერებაში არის უცხო მინარევების ატომები, ისევე როგორც ყველა სახის სხვა დეფექტი. რაც უფრო ნაკლები დეფექტია ნიმუში, მით უფრო დაბალია ნარჩენი წინააღმდეგობა. სწორედ ამ დამოკიდებულებამ დააინტერესა ონესი 1911 წელს. ის საერთოდ არ ეძებდა „ზეგამტარობას“, მაგრამ ცდილობდა გაერკვია, რამდენად მცირეა ნარჩენი წინააღმდეგობა ნიმუშის გაწმენდით. მან ჩაატარა ექსპერიმენტები ვერცხლისწყალზე, რადგან იმ დროს ვერცხლისწყალი უფრო მაღალი სიწმინდის ხარისხზე იყო მიყვანილი, ვიდრე პლატინა, ოქრო ან სპილენძი (ეს ლითონები უკეთესი გამტარებია ვიდრე ვერცხლისწყალი და ონესი სწავლობდა მათ სუპერგამტარობის აღმოჩენამდე. არც ოქრო, არც პლატინი, არც სპილენძი არის "ზეგამტარი").

კრიტიკული ტემპერატურა

ზეგამტარობა ხდება მოულოდნელად, როდესაც ტემპერატურა იკლებს. ტემპერატურა თ c, რომლის მიღწევისას ხდება ნახტომი, ეწოდება კრიტიკული. საგულდაგულო შესწავლა აჩვენებს, რომ ასეთი გადასვლა შეინიშნება გარკვეულ ტემპერატურულ დიაპაზონში (ნახ. 4). მოძრავი ელექტრონების ხახუნი ქრება ნიმუშის „სიწმინდის“ მიუხედავად, მაგრამ რაც უფრო „სუფთაა“ ნიმუში, მით უფრო მკვეთრია ნახტომი წინააღმდეგობაში; მისი სიგანე „ყველაზე სუფთა“ ნიმუშებში არის მეასედი გრადუსზე ნაკლები. ამ შემთხვევაში საუბარია „კარგ“ ნიმუშებზე ან ზეგამტარებზე; "ცუდ" ნიმუშებში გადასვლის სიგანე შეიძლება მიაღწიოს ათეულ გრადუსს. (ეს, რა თქმა უნდა, ეხება ეგრეთ წოდებულ მაღალტემპერატურულ ზეგამტარებს, რომლებშიც თ c აღწევს ასობით კელვინს.)

კრიტიკული ტემპერატურა განსხვავებულია თითოეული ნივთიერებისთვის. ეს ტემპერატურა და ზეგამტარობის აღმოჩენის წელი (უფრო ზუსტად, მის შესახებ სტატიის გამოქვეყნების წელი) მითითებულია ნახ. 5 რამდენიმე სუფთა ელემენტისთვის. ნიობიუმს აქვს ყველაზე მაღალი (ატმოსფერული წნევის დროს) კრიტიკული ტემპერატურა D.I. მენდელეევის პერიოდული ცხრილის ყველა ელემენტს შორის, თუმცა ის არ აღემატება 10 K-ს.

ონესმა არა მხოლოდ აღმოაჩინა ვერცხლისწყლის, კალის და ტყვიის ზეგამტარობა, არამედ აღმოაჩინა პირველი ზეგამტარი შენადნობები - ვერცხლისწყლის შენადნობები ოქროთი და კალით. მას შემდეგ ეს მუშაობა გაგრძელდა, სულ უფრო მეტი ახალი ნაერთები იქნა ტესტირება ზეგამტარობისთვის და ზეგამტარების კლასი თანდათან გაფართოვდა.

დაბალი ტემპერატურა

სუპერგამტარობის კვლევა ძალიან ნელა მიმდინარეობდა. ფენომენზე დასაკვირვებლად საჭირო იყო ლითონების დაბალ ტემპერატურამდე გაგრილება და ეს არც ისე ადვილია. ნიმუში მუდმივად უნდა გაცივდეს, რისთვისაც იგი მოთავსებულია გამაგრილებელში. ყოველდღიური გამოცდილებიდან ჩვენთვის ცნობილი ყველა სითხე იყინება და გამკვრივდება დაბალ ტემპერატურაზე. ამიტომ, ოთახის პირობებში აუცილებელია ნივთიერებების გათხევადება, რომლებიც აირებია. ნახ. მითითებულია 6 დუღილის ტემპერატურა თბ და დნობა თმ ხუთი ნივთიერება (ატმოსფერული წნევის დროს).

თუ ტემპერატურას ქვემოთ დაწევთ თბ , ნივთიერება თხევადდება და ქვემოთ თმ გამკვრივდება. (ატმოსფერული წნევის დროს ჰელიუმი თხევადი რჩება აბსოლუტურ ნულოვან ტემპერატურამდე.) ასე რომ, ჩვენი მიზნებისათვის, რომელიმე ამ ნივთიერებების გამოყენება შესაძლებელია თბ და თმ. 1986 წლამდე ზეგამტარობის მაქსიმალური ცნობილი კრიტიკული ტემპერატურა ძლივს აღემატებოდა 20 K-ს, ამიტომ ზეგამტარობის შესწავლისას შეუძლებელი იყო თხევადი ჰელიუმის გარეშე. აზოტი ასევე ფართოდ გამოიყენება როგორც გამაგრილებელი. აზოტი და ჰელიუმი გამოიყენება გაგრილების თანმიმდევრულ ეტაპებზე. ორივე ეს ნივთიერება ნეიტრალური და უსაფრთხოა.

ჰელიუმის გათხევადება თავისთავად ძალიან საინტერესო და მომხიბვლელი პრობლემაა, რომლის გადაწყვეტითაც ბევრი ფიზიკოსი იყო დაკავებული მე-19 და მე-20 საუკუნეების მიჯნაზე. ონესმა მიზანს მიაღწია 1908 წელს. სპეციალურად ამისთვის მან შექმნა ლაბორატორია ლეიდენში (ნიდერლანდები). 15 წლის განმავლობაში ლაბორატორიას ჰქონდა მონოპოლია უნიკალურ კვლევებზე ახალი ტემპერატურის დიაპაზონში. 1923-1925 წლებში. მათ ისწავლეს თხევადი ჰელიუმის წარმოება მსოფლიოში კიდევ ორ ლაბორატორიაში - ტორონტოში და ბერლინში. საბჭოთა კავშირში ასეთი აღჭურვილობა გასული საუკუნის 30-იანი წლების დასაწყისში გამოჩნდა. ხარკოვის ფიზიკა-ტექნოლოგიის ინსტიტუტში.

მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ ბევრ ქვეყანაში თანდათან განვითარდა მთელი ინდუსტრია, რომელიც ლაბორატორიებს მიეწოდებოდა თხევადი ჰელიუმით. მანამდე ყველაფერი "თვითმომსახურება" იყო. ტექნიკური სირთულეები და ფენომენის ფიზიკური სირთულე ნიშნავს, რომ ცოდნა სუპერგამტარობის შესახებ ძალიან ნელა გროვდებოდა. პირველი აღმოჩენიდან მხოლოდ 22 წლის შემდეგ აღმოაჩინეს სუპერგამტარების მეორე ფუნდამენტური თვისება.

მაისნერის ეფექტი

მისი დაკვირვება მოახსენეს გერმანელმა ფიზიკოსებმა W. Meissner-მა და R. Ochsenfeld-მა 1933 წელს.

აქამდე ელექტრული წინააღმდეგობის გაქრობას ზეგამტარობას ვუწოდებდით. თუმცა, სუპერგამტარობა უფრო რთულია, ვიდრე უბრალოდ წინააღმდეგობის არარსებობა. ეს ასევე არის გარკვეული რეაქცია გარე მაგნიტურ ველზე. მაისნერის ეფექტი არის მაშინ, როდესაც მუდმივი, არც თუ ისე ძლიერი მაგნიტური ველი გამოდევნის ზეგამტარ ნიმუშს. ზეგამტარის სისქეში მაგნიტური ველი სუსტდება ნულამდე; ზეგამტარობას და მაგნეტიზმს შეიძლება ეწოდოს, როგორც ეს, საპირისპირო თვისებები.

ახალი ზეგამტარების ძიებისას შემოწმებულია ზეგამტარობის ორივე ძირითადი თვისება:

ზეგამტარში ელექტრული წინააღმდეგობა ქრება;
მაგნიტური ველი გამოდის ზეგამტარიდან.

ზოგიერთ შემთხვევაში, "ბინძურ" ზეგამტარებში, ტემპერატურისადმი წინააღმდეგობის ვარდნა შეიძლება ბევრად უფრო გახანგრძლივდეს, ვიდრე ნაჩვენებია ნახ. 1 ვერცხლისწყლისთვის. კვლევის ისტორიაში არაერთხელ მომხდარა, რომ ფიზიკოსებმა შეცდომით მიიჩნიეს ზეგამტარობისთვის წინააღმდეგობის ვარდნა სხვა მიზეზის გამო, მაგალითად, ჩვეულებრივი მოკლე ჩართვის გამო.

ზეგამტარობის არსებობის დასადასტურებლად აუცილებელია მისი ორივე ძირითადი თვისების მაინც დაკვირვება. ძალიან შთამბეჭდავი ექსპერიმენტი, რომელიც აჩვენებს მაისნერის ეფექტის არსებობას, წარმოდგენილია ნახ. 7: მუდმივი მაგნიტი ტრიალებს სუპერგამტარ თასზე. პირველად ასეთი ექსპერიმენტი ჩაატარა საბჭოთა ფიზიკოსმა ვ.კ.არკადიევმა 1945 წელს.

ზეგამტარში წარმოიქმნება დენები, რომლებიც უბიძგებს მაგნიტურ ველს, მათი მაგნიტური ველი აბრუნებს მუდმივ მაგნიტს და ანაზღაურებს მის წონას. ასევე მნიშვნელოვანია ჭიქის კედლები, რომლებიც მაგნიტს ცენტრისკენ უბიძგებენ. ბრტყელი ფსკერის ზემოთ, მაგნიტის პოზიცია არასტაბილურია; შემთხვევითი დარტყმები გამოიწვევს მის გვერდზე გადასვლას. ეს მცურავი მაგნიტი ლევიტაციის ლეგენდებს მოგაგონებთ. ყველაზე ცნობილი ლეგენდა რელიგიური წინასწარმეტყველის საფლავზეა. გამოქვაბულში მოთავსებული კუბო იქ ჰაერში ცურავდა ყოველგვარი საყრდენის გარეშე. ახლა შეუძლებელია დარწმუნებით იმის თქმა, ეფუძნება თუ არა ასეთი ისტორიები რაიმე რეალურ მოვლენებს. ახლა ტექნიკურად შესაძლებელია „ლეგენდის ახდენა“ მაისნერის ეფექტის გამოყენებით.

მაგნიტური ველი

თანამედროვე ფიზიკა იყენებს ველის კონცეფციას, რათა აღწეროს ერთი სხეულის გავლენა მეორეზე მანძილზე, პირდაპირი კონტაქტის გარეშე. ამრიგად, მუხტები და დენები ურთიერთქმედებენ ელექტრომაგნიტური ველის მეშვეობით. ყველამ, ვინც შეისწავლა ელექტრომაგნიტური ველის კანონები, იცის ველის ვიზუალური გამოსახულება - მისი ძალის ხაზების სურათი. ეს სურათი პირველად გამოიყენა ინგლისელმა ფიზიკოსმა მ.ფარადეიმ. სიცხადისთვის, სასარგებლოა გავიხსენოთ ველის კიდევ ერთი სურათი, რომელიც გამოიყენა სხვა ინგლისელმა ფიზიკოსმა - J. C. Maxwell.

წარმოიდგინეთ, რომ ველი არის მოძრავი სითხე, როგორიცაა წყალი, რომელიც მიედინება ველის ხაზების მიმართულებით. შევეცადოთ მისი დახმარებით აღვწეროთ მუხტების ურთიერთქმედება კულონის კანონის მიხედვით. მოდით იყოს აუზი, სიმარტივისთვის, ბრტყელი და არაღრმა, მისი ზედა ხედი ნაჩვენებია ნახ. 8. ფსკერზე ორი ნახვრეტია: ერთიდან წყალი შედის აუზში (ეს არის დადებითი მუხტის მსგავსი), მეორის გავლით კი გარეთ გამოდის (ეს არის კანალიზაცია, ან უარყოფითი მუხტი). ასეთ აუზში წყალი მიედინება ორი სტაციონარული მუხტის ელექტრულ ველს. წყალი გამჭვირვალეა და მისი დინება ჩვენთვის შეუმჩნეველია. ოღონდ მოდი ჩავატაროთ „ტესტის დადებითი მუხტი“ ჭავლებში - ბურთი სიმაზე. ჩვენ მაშინვე ვიგრძნობთ ძალას - სითხე თან ატარებს ბურთს.

წყალი აშორებს ბურთს წყაროდან - მუხტის მსგავსად. ბურთი იზიდავს დრენაჟს, ან სხვა ნიშნის მუხტს და მუხტებს შორის ძალა დამოკიდებულია მათ შორის მანძილზე, როგორც ამას კულონის კანონი მოითხოვს.

დენები და ველები ზეგამტარებში

ზეგამტარებში დენებისა და ველების ქცევის გასაგებად, თქვენ უნდა გახსოვდეთ მაგნიტური ინდუქციის კანონი. ახლა ჩვენი მიზნებისთვის უფრო სასარგებლოა მას უფრო ზოგადი ფორმულირების მიცემა, ვიდრე სკოლის ფიზიკის კურსში. მაგნიტური ინდუქციის კანონი რეალურად საუბრობს ელექტრულ და მაგნიტურ ველებს შორის ურთიერთობაზე. თუ ელექტრომაგნიტურ ველს წარმოვიდგენთ, როგორც სითხეს, მაშინ ველის ელექტრულ და მაგნიტურ კომპონენტებს შორის ურთიერთობა შეიძლება წარმოვიდგინოთ როგორც მშვიდი (ლამინარული) და მორევის სითხის ნაკადის ურთიერთობა. თითოეული მათგანი შეიძლება არსებობდეს თავისთავად. მოდით, მაგალითად, ჩვენს წინ გვქონდეს მშვიდი ფართო ნაკადი - ერთიანი ელექტრული ველი. თუ ამ ველის შეცვლას ცდილობ, ე.ი. თითქოს სითხის შენელება ან აჩქარება, აუცილებლად გამოჩნდება მორევები - მაგნიტური ველი. მაგნიტური ველის ცვლილება ყოველთვის იწვევს ელექტრული ველის გამოჩენას, ხოლო ელექტრული ველი იწვევს დენს გამტარ წრეში, ეს არის მაგნიტური ინდუქციის ჩვეულებრივი ფენომენი: მაგნიტური ველის ცვლილება იწვევს დენს. სწორედ ეს ფიზიკური კანონი მოქმედებს მსოფლიოს ყველა ელექტროსადგურზე და ამა თუ იმ გზით იწვევს გამტარში მაგნიტურ ველში ცვლილებებს. შედეგად მიღებული ელექტრული ველი წარმოქმნის დენს, რომელიც მიედინება ჩვენს სახლებში და სამრეწველო ქარხნებში.

მაგრამ დავუბრუნდეთ სუპერგამტარებს. ზეგამტარში პირდაპირი დენი არ საჭიროებს ელექტრული ველის არსებობას და წონასწორულ სიტუაციაში ელექტრული ველი ზეგამტარში ნულის ტოლია. ასეთი ველი აჩქარებს ელექტრონებს, მაგრამ არ არსებობს წინააღმდეგობა ან ხახუნი, რომელიც დააბალანსებს აჩქარებას ზეგამტარებში. თვითნებურად მცირე მუდმივი ელექტრული ველი გამოიწვევს დენის უსასრულო ზრდას, რაც შეუძლებელია. ელექტრული ველი წარმოიქმნება მხოლოდ მიკროსქემის არაზეგამტარ მონაკვეთებში. დენი მიედინება ზეგამტარებში ძაბვის ვარდნის გარეშე.

გონებრივი მსჯელობა არ ავლენს არაფერს, რაც ხელს შეუშლის მაგნიტური ველის არსებობას ზეგამტარში. თუმცა, ცხადია, რომ ზეგამტარი ხელს შეუშლის მაგნიტური ველის შეცვლას. მართლაც, მაგნიტური ველის ცვლილება წარმოქმნის დენს, რომელიც შექმნის მაგნიტურ ველს, რომელიც ანაზღაურებს თავდაპირველ ცვლილებას.

ასე რომ, ნებისმიერი სუპერგამტარის წრე უნდა შეინარჩუნოს მასში გამავალი მაგნიტური ველი. (მაგნიტური ნაკადი მარყუჟის გავლით არის უბრალოდ მაგნიტური ველის სიძლიერის და მარყუჟის ფართობის პროდუქტი.)

იგივე უნდა მოხდეს ზეგამტარის სისქეში. მაგალითად, თუ მაგნიტს მივახლოვებთ ზეგამტარ ნიმუშს, მისი მაგნიტური ველი ვერ შეაღწევს ზეგამტარს. ნებისმიერი ასეთი „მცდელობა“ იწვევს ზეგამტარში დენის გაჩენას, რომლის მაგნიტური ველი ანაზღაურებს გარე ველს. შედეგად, ზეგამტარის სისქეში არ არის მაგნიტური ველი და სწორედ ამისთვის საჭირო დენი მიედინება ზედაპირზე. ჩვეულებრივი გამტარის სისქეში, რომელიც შეყვანილია მაგნიტურ ველში, ყველაფერი ზუსტად ისე ხდება, მაგრამ იქ არის წინააღმდეგობა და ინდუცირებული დენი საკმაოდ სწრაფად იშლება და მისი ენერგია ხახუნის გამო სითბოდ იქცევა. (ამ სიცხის ექსპერიმენტულად აღმოჩენა ძალიან ადვილია: მიიყვანეთ ხელი მუშა ტრანსფორმატორთან და იგრძნობთ მისგან გამოსულ სითბოს.) ზეგამტარში წინააღმდეგობა არ არის, დენი არ კვდება და არ „უშვებს“ მაგნიტური ველი არის ნებისმიერი დროის განმავლობაში. აღწერილი სურათი ზუსტია და არაერთხელ დადასტურდა გამოცდილებით.

ახლა კიდევ ერთი გონებრივი ექსპერიმენტი ჩავატაროთ. ავიღოთ ზეგამტარი ნივთიერების იგივე ნაჭერი, მაგრამ საკმარისად მაღალ ტემპერატურაზე, როცა ის ჯერ კიდევ ნორმალურ მდგომარეობაშია. შევიყვანოთ ის მაგნიტურ ველში და დაველოდოთ, სანამ ყველაფერი დაწყნარდება, დენები არ დაიღუპება – ნივთიერება გაჟღენთილია მაგნიტური ნაკადით. ჩვენ დავამცირებთ ტემპერატურას, დაველოდებით ნივთიერების ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლას. როგორც ჩანს, ტემპერატურის დაწევა არ უნდა იმოქმედოს მაგნიტურ ველზე. მაგნიტური ნაკადი სუპერგამტარში არ უნდა შეიცვალოს. თუ თქვენ ამოიღებთ მაგნიტს - გარე მაგნიტური ველის წყაროს, მაშინ ზეგამტარმა წინააღმდეგობა უნდა გაუწიოს ამას და ზედაპირზე უნდა გამოჩნდეს ზეგამტარი დენები, შეინარჩუნოს მაგნიტური ველი ნივთიერების შიგნით.

თუმცა, ეს ქცევა სრულიად შეუსაბამოა ექსპერიმენტულად დაფიქსირებულთან: ამ შემთხვევაშიც მოხდება მაისნერის ეფექტი. თუ ნორმალურ ლითონს მაგნიტურ ველში გაგრილებთ, მაშინ როცა ის გადადის ზეგამტარ მდგომარეობაში, მაგნიტური ველი ზეგამტარიდან გამოდის. ამავდროულად, მის ზედაპირზე ჩნდება უწყვეტი დენი, რომელიც უზრუნველყოფს ნულოვანი მაგნიტური ველის ზეგამტარის სისქეში. ზეგამტარი მდგომარეობის აღწერილი სურათი ყოველთვის შეინიშნება, მიუხედავად იმისა, თუ როგორ ხდება ამ მდგომარეობაში გადასვლა.

რა თქმა უნდა, ეს აღწერა უკიდურესად იდეალიზებულია და ჩვენ გავართულებთ მას პრეზენტაციის პროგრესირებასთან ერთად. მაგრამ ახლა აღსანიშნავია, რომ არსებობს ზეგამტარების ორი ტიპი, რომლებიც განსხვავებულად რეაგირებენ მაგნიტურ ველზე. დავიწყეთ საუბარი I ტიპის ზეგამტარების თვისებებზე, რომელთა აღმოჩენითაც დაიწყო ზეგამტარობა. მოგვიანებით აღმოაჩინეს მეორე ტიპის ზეგამტარები ოდნავ განსხვავებული თვისებებით. ისინი ძირითადად დაკავშირებულია სუპერგამტარობის პრაქტიკულ გამოყენებასთან.

იდეალური დიამაგნეტიზმი

მაგნიტური ველის გამოძევება ფიზიკოსისთვის ისეთივე გასაკვირია, როგორც წინააღმდეგობის არარსებობა. ფაქტია, რომ მუდმივი მაგნიტური ველი, როგორც წესი, ყველგან აღწევს. მას არ ერევა დამიწებული ლითონი, რომელიც იცავს ელექტრო ველს. უმეტეს შემთხვევაში, სხეულის საზღვარი მაგნიტური ველისთვის არის არა კედელი, რომელიც ზღუდავს მის „ნაკადს“, არამედ აუზის ფსკერზე პატარა ნაბიჯი, რომელიც ცვლის სიღრმეს და მცირე გავლენას ახდენს ამ „ნაკადზე“. ნივთიერებაში მაგნიტური ველის სიძლიერე იცვლება მეასედი ან მეათასედი პროცენტით მის სიძლიერესთან შედარებით (გარდა მაგნიტური ნივთიერებებისა, როგორიცაა რკინა და სხვა ფერომაგნიტები, სადაც დიდი შიდა მაგნიტური ველი ემატება გარეს). ყველა სხვა ნივთიერებაში მაგნიტური ველი ან ოდნავ გაძლიერებულია - და ასეთ ნივთიერებებს პარამაგნიტური ეწოდება, ან ოდნავ სუსტდება - ასეთ ნივთიერებებს დიამაგნიტური ეწოდება.

ზეგამტარებში მაგნიტური ველი დასუსტებულია ნულამდე იდეალური დიამაგნიტური მასალები.

მხოლოდ მუდმივად შენარჩუნებული დენების ეკრანს შეუძლია "არ გაუშვას" მაგნიტური ველი. ზეგამტარი თავად ქმნის ასეთ ეკრანს თავის ზედაპირზე და ინარჩუნებს მას იმდენ ხანს, რამდენიც სასურველია. მაშასადამე, მაისნერის ეფექტი, ანუ სუპერგამტარის იდეალური დიამაგნეტიზმი, არანაკლებ გასაკვირია, ვიდრე მისი იდეალური გამტარობა.

ნახ. სურათი 9 უხეშად გვიჩვენებს, რა ემართება ლითონის ბურთულას ტემპერატურის ცვლილებისას თდა მაგნიტური ველის გამოყენება ჰ(მაგნიტური ველის ხაზები მითითებულია ისრებით, რომლებიც ხვდებიან ან მიედინება ნიმუშის გარშემო). ნორმალურ მდგომარეობაში მყოფი ლითონი აღინიშნება ლურჯად; თუ ლითონი გადადის ზეგამტარ მდგომარეობაში, ფერი იცვლება მწვანედ. შედარებისთვის, ნახ. 9, ვგვიჩვენებს, თუ როგორ მოიქცეოდა იდეალური გამტარი (აღნიშნავს IC ასოებით) - ლითონი მეისნერის ეფექტის გარეშე ნულოვანი წინააღმდეგობით (თუ არსებობდა). ეს მდგომარეობა მითითებულია წითლად.

ბრინჯი. 9. მაისნერის ეფექტი:

ა- ნორმალური გამტარი, რომელსაც არ აქვს ნულოვანი წინააღმდეგობა ნებისმიერ ტემპერატურაზე (1) შედის მაგნიტურ ველში. ელექტრომაგნიტური ინდუქციის კანონის შესაბამისად, წარმოიქმნება დენები, რომლებიც ეწინააღმდეგებიან მაგნიტური ველის შეღწევას მეტალში (2). თუმცა, თუ წინააღმდეგობა არ არის ნულოვანი, ისინი სწრაფად იშლება. მაგნიტური ველი შეაღწევს ჩვეულებრივი ლითონის ნიმუშს და თითქმის ერთგვაროვანია (3);

ბ- ნორმალური მდგომარეობიდან ზემოთ ტემპერატურაზე თ c არსებობს ორი გზა: პირველი: როდესაც ტემპერატურა იკლებს, ნიმუში გადადის ზეგამტარ მდგომარეობაში, შემდეგ შეიძლება გამოიყენოს მაგნიტური ველი, რომელიც გამოიდევნება ნიმუშიდან. მეორე: ჯერ გამოიყენეთ მაგნიტური ველი, რომელიც შეაღწევს ნიმუშს, და შემდეგ შეამცირეთ ტემპერატურა, შემდეგ ველი გამოიდევნება გადასვლისას. მაგნიტური ველის გამორთვა იგივე სურათს იძლევა;

ვ- მეისნერის ეფექტი რომ არ ყოფილიყო, წინააღმდეგობის გარეშე გამტარი სხვაგვარად მოიქცეოდა. მაგნიტურ ველში წინააღმდეგობის გარეშე მდგომარეობაზე გადასვლისას ის შეინარჩუნებს მაგნიტურ ველს და შეინარჩუნებს მას მაშინაც კი, როდესაც გარე მაგნიტური ველი ამოღებულია. ასეთი მაგნიტის დემაგნიტიზაცია მხოლოდ ტემპერატურის გაზრდით იქნებოდა შესაძლებელი. თუმცა, ეს ქცევა ექსპერიმენტულად არ დაფიქსირებულა.

ცოტა ისტორია

შემდეგ თავში უფრო დეტალურად ვისაუბრებთ ზეგამტარების გასაოცარ თვისებებზე და გვინდა დავასრულოთ ეს თავი იმით, რომ ჩამოვთვალოთ ფიზიკოსების მიერ ზეგამტარობის შესწავლის დროს შესრულებული ყველაზე მნიშვნელოვანი სამუშაოები.

უპირველეს ყოვლისა, ეს არის H. Kamerlingh Onnes (1911) და W. Meissner and R. Ochsenfeld (1933) უკვე ნახსენები აღმოჩენები. მაგნიტურ ველში სუპერგამტარის ქცევის პირველი თეორიული ახსნა შემოგვთავაზეს ინგლისში (1935 წ.) გერმანიიდან ემიგრაციაში მყოფმა გერმანელმა ფიზიკოსებმა ფ. ლონდონმა და გ. 1950 წელს L. D. Landau-მ და ამ წიგნის ერთ-ერთმა ავტორმა დაწერეს ნაშრომი, რომელშიც ააგეს ზეგამტარობის უფრო ზოგადი თეორია. ეს აღწერა მოსახერხებელი აღმოჩნდა და დღესაც გამოიყენება; მას გინზბურგ–ლანდაუს თეორია ან ზეგამტარობის ψ თეორია ჰქვია.

ფენომენის მექანიზმი 1957 წელს აღმოაჩინეს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა ჯ.ბარდინმა, ლ.კუპერმა და ჯ.შრიფერმა. მათი სახელების დიდი ასოებიდან გამომდინარე, ამ თეორიას უწოდებენ BCS თეორიას, ხოლო თავად მექანიზმს (ამისთვის ელექტრონების წყვილის ქცევა აუცილებელია) ხშირად უწოდებენ "კუპერის დაწყვილებას", რადგან მისი იდეა გამოიგონა ლ. კუპერმა. ზეგამტარობის ფიზიკის განვითარებისთვის დიდი როლი ითამაშა ორი ტიპის ზეგამტარების - I და II ტიპის არსებობის დადგენამ. მერკური და რიგი სხვა ზეგამტარები I ტიპის სუპერგამტარებია. II ტიპის ზეგამტარები ძირითადად ორი ან მეტი ელემენტის შენადნობებია. შუბნიკოვისა და მისი კოლეგების მუშაობამ ხარკოვში 1930-იან წლებში დიდი როლი ითამაშა II ტიპის სუპერგამტარობის აღმოჩენაში. და A.A. Abrikosov 1950-იან წლებში.

გარდა ამისა, 1950-იან წლებში აღმოჩენებმა და კვლევებმა დიდი გავლენა იქონია. ნაერთები შედარებით მაღალი კრიტიკული ტემპერატურით, რომელსაც შეუძლია გაუძლოს ძალიან მაღალ მაგნიტურ ველებს და გაუძლოს მაღალი სიმკვრივის დენებს სუპერგამტარ მდგომარეობაში. შესაძლოა ამ კვლევების კულმინაცია იყო ჯ.კუნცლერისა და მისი კოლეგების ექსპერიმენტები (1960). მათ აჩვენეს, რომ Nb 3 Sn მავთული ზე თ= 4,2 K ველში 88000 Oe (მათ უბრალოდ არ ჰქონდათ უფრო ძლიერი ველი მათ განკარგულებაში) გადის დენი, რომლის სიმკვრივეა 100 ათასი A/cm 2. იმ დროს აღმოჩენილი სუპერგამტარები ჯერ კიდევ მუშაობენ ტექნიკურ მოწყობილობებში. ასეთი მასალები ახლა კლასიფიცირდება, როგორც ზეგამტარების სპეციალური კლასი, რომლებსაც უწოდებენ "მყარ ზეგამტარებს".

1962 წელს ინგლისელმა ფიზიკოსმა ბ.ჯოზეფსონმა თეორიულად იწინასწარმეტყველა სრულიად უჩვეულო მოვლენები, რომლებიც უნდა მოხდეს სუპერგამტარების კონტაქტზე. შემდეგ ეს პროგნოზები სრულად დადასტურდა და თავად ფენომენებს უწოდეს სუსტი სუპერგამტარობა ან ჯოზეფსონის ეფექტები და სწრაფად იპოვეს პრაქტიკული გამოყენება.

დაბოლოს, ციურიხში მომუშავე ფიზიკოსების, შვეიცარიელი ა. მიულერის და გერმანელი გ. ბედნორცის სტატია (1986 წ.) აღინიშნა ზეგამტარი ნივთიერებების ახალი კლასის - მაღალტემპერატურული ზეგამტარების - აღმოჩენა და ახალი კვლევების ზვავი გამოიწვია. ამ ტერიტორიაზე.

კელვინის შკალის გრადუსები, როგორც წესი, აღინიშნება დიდი ასო K-ით; ისინი ტოლია ჩვეულებრივი გრადუსი ცელსიუსით, მაგრამ ითვლიან აბსოლუტური ნულიდან. ცელსიუსის შკალაზე აბსოლუტური ნულის ტემპერატურაა -273,16°C, ამიტომ აღნიშნული ტემპერატურა 4,15 K უდრის -269,01°C. შემდგომში შევეცდებით შემოგთავაზოთ მომრგვალებული მნიშვნელობები.

ელექტრული წინააღმდეგობის წარმოქმნის სურათი, რა თქმა უნდა, უფრო რთულია და მას მოგვიანებით უფრო დეტალურად განვიხილავთ.

წყლის გამოხდის პროცესის მსგავსი "გამოხდის" მეთოდი.

1911 წელს ჰოლანდიელმა მეცნიერმა კამერლინგ ონესმა ვერცხლისწყლის ელექტრული გამტარობის ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე შესწავლისას აღმოაჩინა საინტერესო ფენომენი – ზეგამტარობა. სუპერგამტარობის ფენომენი ის არის, რომ ვერცხლისწყალი, ტყვია, თუთია, ალუმინი და ზოგიერთი სხვა ლითონი, ღრმად გაცივებისას ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე, მოულოდნელად 2-8 ° K-ზე სრულიად კარგავენ წინააღმდეგობას ელექტრო დენის მიმართ.

ელექტრული წინააღმდეგობა შეუფერხებლად მცირდება ტემპერატურის კლებასთან ერთად და ჩვეულებრივ ძალიან დაბალი ტემპერატურის რეგიონში

გარკვეული შენელებით (სურ. 97). მაგრამ ზოგიერთი ლითონისთვის, თითოეული მათგანისთვის დამახასიათებელ ტემპერატურაზე - „ზეგამტარად გარდაქმნის წერტილში“ - წინააღმდეგობა უეცრად მცირდება ათეულობით მილიარდჯერ მაინც, ალბათ, სანამ ის მთლიანად არ გაქრება (სურ. 98). ნებისმიერ შემთხვევაში, მიუხედავად გამოყენებული გაზომვის მეთოდების განსაკუთრებული მგრძნობელობისა, ელექტრული წინააღმდეგობა სუპერგამტარ მდგომარეობაში აღმოჩნდება შეუმჩნევლად მცირე და შესაძლოა ნულოვანი.

ბრინჯი. 97. დაბალი ტემპერატურის რეგიონში ტემპერატურაზე წინააღმდეგობის დამოკიდებულების ჩვეულებრივი ბუნება.

ბრინჯი. 98. გადახტომა წინააღმდეგობის გაქრობაში სუპერგამტარისთვის.

როდესაც კვადრატულ სანტიმეტრზე ათასობით ამპერის დენი გადის თხელი ტყვიის მავთულში სუპერგამტარობის მდგომარეობაში, მავთულის ბოლოებს შორის პოტენციალის ვარდნა არ შეინიშნება. ასევე არ არის შესამჩნევი სითბოს წარმოქმნა დენიდან.

დახურულ ზეგამტარ რგოლში ერთხელ აღგზნებული დენი არ იკლებს მნიშვნელობას ათობით საათის განმავლობაში - სანამ ღრმა გაგრილების მდგომარეობა, რომელიც უზრუნველყოფს სუპერგამტარობის შენარჩუნებას.

ზეგამტარობის მდგომარეობაზე გადასვლას არ ახლავს ლითონის სხვა თვისებების უეცარი ცვლილებები (მაგნიტური თვისებების გარეშე). კესომისა და დე ჰაასის მიერ ჩატარებულმა კვლევამ დაადგინა, რომ ზეგამტარობის მდგომარეობაზე გადასვლა არ არის დაკავშირებული კრისტალური გისოსის სტრუქტურაში რაიმე ცვლილებასთან. დადგენილია, რომ ზეგამტარობის მომენტში (არამაგნიტიზებულ მეტალში) არ ხდება სითბოს გამოყოფა ან შთანთქმა; თერმული გაფართოების კოეფიციენტი არ იცვლება; მხოლოდ სითბოს სიმძლავრე (ძალიან მცირე დაბალ ტემპერატურაზე) განიცდის მცირე ნახტომს ზრდის მიმართულებით.

შონბერგის მიერ ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა (1937) აჩვენა, რომ ზეგამტარის ინტენსიურმა მაგნიტიზაციამ შეიძლება გაანადგუროს მისი ზეგამტარობა. ეს გარემოება აწესებს შეზღუდვას ზეგამტარში დენის დასაშვებ სიმკვრივეზე: ზედმეტად მაღალი დენის მაგნიტური ველი იწვევს ზეგამტარობის გაქრობას. თუმცა როცა დენი იკლებს ან როცა მეტი

ღრმა გაგრილებისას ზეგამტარობის მდგომარეობა კვლავ აღდგება.

არაერთმა კვლევამ აჩვენა, რომ ზეგამტარობის მდგომარეობაში მყოფი სრულიად სუფთა ლითონში მთელი დენი გადის ლითონის ზედაპირზე, ხოლო თავად ლითონი ხდება შეუღწევადი მაგნიტური და ელექტრული ველებისთვის. ამრიგად, ტერმინი „ზეგამტარობა“ შესაძლებელი აღმოჩნდა გეომეტრიული მნიშვნელობის მქონეც კი, კერძოდ, ლითონის ისეთი მდგომარეობის მნიშვნელობა, როდესაც დენი გადის ლითონის „ზემოდან“ (ან „ზემოდან“) შეღწევადობის გარეშე. შიგნით. ბუნებრივია, ლითონის ფიზიკური და ქიმიური მახასიათებლები არ ვლინდება დენის წინააღმდეგობის სახით, რომელიც მიედინება ლითონის "ზემოდან". მაგრამ ეს, რა თქმა უნდა, ჯერ კიდევ არ ხსნის ფენომენის არსს.

შესაბამისი წევრის მიერ ჩატარებული დახვეწილი ექსპერიმენტები. სსრკ მეცნიერებათა აკადემიამ A.I. შალნიკოვმა დაამტკიცა, რომ მაგნიტური ველის ზეგამტარში შეღწევის სიღრმე არის მილიმეტრის ათი ათასი. შალნიკოვის (1947) შემდგომმა ექსპერიმენტებმა აღმოაჩინეს, რომ ლითონის ნაწილის ზეგამტარობაზე გადასვლა ღრმა გაგრილების დროს ხდება შუალედური მდგომარეობის მეშვეობით, როდესაც (აკადემიკოს L.D. ლანდაუს მიერ შემუშავებული თეორიის შესაბამისად) ლითონი იყოფა თხელ ფენებად ზეგამტარობით. მონაცვლეობით ნორმალური გამტარობის ფენებით.

სუპერგამტარობის ფენომენი აღმოაჩინეს 23 ლითონსა და ბევრ შენადნობში. ტემპერატურა, რომლის დროსაც ლითონი, გაცივებისას, მოულოდნელად ავლენს ზეგამტარობას - ზეგამტარად გარდაქმნის წერტილი - მოცემულია აქ მოყვანილი ზოგიერთი ლითონისთვის.

ზეგამტარად გარდაქმნის წერტილები აბსოლუტური ტემპერატურის შკალაზე

(იხილეთ სკანირება)

ბრინჯი. 99 გვიჩვენებს, თუ როგორ ხდება წინააღმდეგობის ვარდნა, როდესაც ლითონი გაცივდება ზეგამტარად გადაქცევამდე.

ლითონები, რომლებიც ღრმად გაცივებისას ზეგამტარებად იქცევიან, არ არიან საუკეთესო გამტარები ოთახის ტემპერატურაზე. პირიქით, საუკეთესო დირიჟორები სპილენძია,

ვერცხლი და ოქრო - ზეგამტარობის მდგომარეობა არ იყო გამოვლენილი, მიუხედავად იმისა, რომ ისინი გაცივდნენ ტემპერატურამდე უკიდურესად ახლოს აბსოლუტურ ნულთან,

ყველა ლითონი, რომელიც ღრმა გაცივებისას გარდაიქმნება ზეგამტარებად, ქმნის კომპაქტურ ჯგუფს D.I. მენდელეევის ელემენტების პერიოდულ სისტემაში, ასახული ნახ. 100 ჩარჩოში.

ბრინჯი. 99. ლითონების წინაღობის ტემპერატურული ცვალებადობა აბსოლუტურ ნულთან ახლოს (ზეგამტარობა).

ბრინჯი. 100. ზეგამტარი ელემენტების მდებარეობა მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში. ელემენტების სიმბოლოების ქვეშ მყოფი რიცხვები არის სუპერგამტარ მდგომარეობაში გადასვლის ტემპერატურა.

ზეგამტარობის ფენომენი ასევე შეინიშნება ბევრ შენადნობში. აღსანიშნავია, რომ ზეგამტარი შენადნობები დაბალ ტემპერატურაზე არის არა მხოლოდ ზეგამტარი ლითონების შენადნობები, არამედ ზოგიერთი შენადნობა ლითონის უპირატესობით, რომელიც სუფთა სახით არ ავლენს ზეგამტარობას. არსებობს ზეგამტარი შენადნობები და ნაერთები, რომლებიც მთლიანად შედგება ელემენტებისაგან, რომლებიც არ მიეკუთვნებიან ზეგამტარებს. ეს არის ბისმუტისა და ოქროს, მოლიბდენის და ვოლფრამის კარბიდების შენადნობები.1,6K-ზე ნახევარგამტარი ხდება ზეგამტარი.

ზეგამტარობის მდგომარეობაში გარდაქმნის უმაღლესი წერტილებია: ნიობიუმის ნიობიუმის კარბიდი კალის და ნიობიუმის შენადნობი და უმაღლესი წერტილი - ნიობიუმის ნიტრიდი.

თითქმის ნახევარი საუკუნის განმავლობაში სუპერგამტარობის ფენომენი ცუდად იყო გაგებული. მხოლოდ 1957 წელს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა ბარდინმა, კუპერმა, შრიფერმა და უფრო სრულყოფილი სახით აკადემიკოსმა ნიკოლაი ნიკოლაევიჩ ბოგოლიუბოვმა საბოლოოდ მოახერხეს სუპერგამტარობის დამაკმაყოფილებელი თეორიის შექმნა.

აღმოჩნდა, რომ ზეგამტარობა მრავალი თვალსაზრისით აიხსნება სითხეების ზესთხევადობის ფენომენის მსგავსად. როგორც აღინიშნა I ტომში 367 გვერდზე, ზესთხევადობა შეინიშნება თხევად ჰელიუმ II-ში 2,18°-ზე დაბალ ტემპერატურაზე; თხევადი ჰელიუმი, ზესთხევადობის გამო, აქვს ანომალიურად მაღალი თერმული კონდუქტომეტრული (თითქმის მილიონნახევარი ჯერ მეტი წყალი, ორი ათასი. ჯერ მეტი, ვიდრე ოთახის ტემპერატურაზე აღებული სპილენძი).

თავის ერთ-ერთ სტატიაში (1958) ნ.ნ. ბოგოლიუბოვი წერს:

„...გაჩნდა ზესთხევადი სითხის მოძრაობის შემდეგი სურათი: ჩვეულებრივი სითხის ან აირის მოძრაობისგან განსხვავებით, რომელშიც ცალკეული ნაწილაკები მოძრაობენ შემთხვევით, ზესთხევადი სითხის მოძრაობა ავლენს წესრიგის მაღალ ხარისხს. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ზესთხევადი სითხის ნაწილაკები ძლიერად ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. ეს ურთიერთქმედება განსაკუთრებით ძლიერია საპირისპირო მიმართული სიჩქარის მქონე ნაწილაკებისთვის. ამ ურთიერთქმედების სწორად გათვალისწინება განსაკუთრებულ სირთულეს წარმოადგენდა ზესთხევადობის თეორიის შექმნისას.მსგავსი სირთულე იყო ზეგამტარობის თეორიით...

აქამდე ფიზიკაში არსებობდა ზოგადი მოსაზრება, რომ ძნელად შესაძლებელი იყო ჰელიუმის ატომებისგან შემდგარი სისტემისა და ელექტრონებისაგან წარმოქმნილი სისტემის ქცევის ღრმა მსგავსება. ფაქტია, რომ ამ ნაწილაკების სტატისტიკური თვისებები, რომლებიც განსაზღვრავს მათგან შემდგარი სისტემების ქცევას, ძალიან განსხვავებულია: ჰელიუმის ბირთვები ემორჩილებიან ბოზის სტატისტიკას, ხოლო ელექტრონები ემორჩილებიან ფერმის სტატისტიკას.

ზეგამტარ მდგომარეობაში ელექტრონების ქცევის ზოგადი სურათი შეიძლება წარმოვიდგინოთ შემდეგნაირად. ლითონის თავისუფალი ელექტრონები ქმნიან დაკავშირებულ „კოლექტივს“ ამ მდგომარეობაში, თავისი თვისებებით მსგავსი, რასაც ზესთხევადობის თეორიაში კონდენსატი ეწოდება... ასეთი კოლექტივის მოძრაობა მთლიანობაში სტაბილურია. მაგნიტური ველის მოქმედებით დამატებითი სტაბილიზაციისას ეს მოძრაობა (ელექტრული დენი მეტალში) წინააღმდეგობას არ აწყდება“.

ნ.ნ ბოგოლიუბოვმა, რომელმაც წინა წლებში გააუმჯობესა სითხეების ზესთხევადობის თეორია, გამოიყენა მის მიერ შექმნილი მათემატიკური მეთოდი ელექტრონების აღნიშნული „კოლექტიური-კონდენსატის“ მოძრაობის პირობების გასაანალიზებლად. ნ.ნ. ბოგოლიუბოვმა აჩვენა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ელექტრონების ელექტრული მოგერიება ხელს უშლის მათ შეერთებას დაკავშირებულ „კოლექტივში“, ეს უფრო ნაკლებია, ვიდრე ბარდინს, კუპერს და შრიფერს მიაჩნდათ. ამერიკელმა ფიზიკოსებმა, დაიცვან ვარაუდი, რომ ელექტრონები დაჯგუფებულია წყვილებად, მიიღეს ზეგამტარობის მდგომარეობის დამახასიათებელი რაოდენობების ფორმულები; იგივე ფორმულები, ახალ დასკვნებთან ერთად, მოცემულია ნ.ნ. ბოგოლიუბოვის უფრო მკაცრი თეორიით.

(77 K), გაცილებით იაფი კრიოგენული სითხე.

ენციკლოპედიური YouTube

1 / 5

✪ გაკვეთილი 296. ლითონების წინააღმდეგობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულება. ზეგამტარობა

✪ ზეგამტარობა. ელექტრული დენი სხვადასხვა გარემოში. საგანმანათლებლო ფილმი

✪ ზეგამტარი და კვანტური ლევიტაცია!

✪ სუპერგამტარობა (მოთხრობილია ფიზიკოსი ბორის ფეინის მიერ)

✪ სხვადასხვა ნივთიერების ელექტრული გამტარობა | ფიზიკის კლასი 10 #57 | საინფორმაციო გაკვეთილი

სუბტიტრები

აღმოჩენის ისტორია

სუპერგამტარობის ფენომენის აღმოჩენის საფუძველი იყო მასალების ულტრა დაბალ ტემპერატურამდე გაგრილების ტექნოლოგიების განვითარება. 1877 წელს ფრანგმა ინჟინერმა ლუი კაიეტმა და შვეიცარიელმა ფიზიკოსმა რაულ პიქტემ დამოუკიდებლად გააცივეს ჟანგბადი თხევად მდგომარეობაში. 1883 წელს ზიგმუნტ ვრობლევსკიმ და კაროლ ოლშევსკიმ შეასრულეს აზოტის გათხევადება. 1898 წელს ჯეიმს დიუარმა მოახერხა თხევადი წყალბადის მიღება.

1893 წელს ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა ჰეიკე კამერლინგ ონესმა დაიწყო ულტრა დაბალი ტემპერატურის პრობლემის შესწავლა. მან მოახერხა მსოფლიოში საუკეთესო კრიოგენული ლაბორატორიის შექმნა, რომელშიც 1908 წლის 10 ივლისს თხევადი ჰელიუმი მიიღო. მოგვიანებით მან მოახერხა მისი ტემპერატურის 1 კელვინამდე მიყვანა. კამერლინგ ონესმა გამოიყენა თხევადი ჰელიუმი ლითონების თვისებების შესასწავლად, კერძოდ მათი ელექტრული წინააღმდეგობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულების გასაზომად. იმ დროს არსებული კლასიკური თეორიების თანახმად, წინააღმდეგობა შეუფერხებლად უნდა დაეცეს ტემპერატურის კლებასთან ერთად, მაგრამ ასევე იყო მოსაზრება, რომ ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე ელექტრონები პრაქტიკულად გაჩერდებიან და ლითონი მთლიანად შეწყვეტს დენის გამტარობას. კამერლინგ ონესის მიერ მის თანაშემწეებთან კორნელის დორსმანთან და ჟილ ჰოლსტთან ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა თავდაპირველად დაადასტურა დასკვნა წინააღმდეგობის გლუვი შემცირების შესახებ. თუმცა, 1911 წლის 8 აპრილს მან მოულოდნელად აღმოაჩინა, რომ 3 კელვინზე (დაახლოებით −270 °C) ელექტრული წინააღმდეგობა პრაქტიკულად ნულოვანი იყო. მომდევნო ექსპერიმენტმა, რომელიც ჩატარდა 11 მაისს, აჩვენა, რომ წინააღმდეგობის მკვეთრი ვარდნა ნულამდე ხდება დაახლოებით 4,2 K ტემპერატურაზე (მოგვიანებით, უფრო ზუსტმა გაზომვებმა აჩვენა, რომ ეს ტემპერატურა არის 4,15 K). ეს ეფექტი სრულიად მოულოდნელი იყო და ვერ აიხსნებოდა მაშინდელი არსებული თეორიებით.

ნულოვანი წინააღმდეგობა არ არის ზეგამტარების ერთადერთი განმასხვავებელი თვისება. სუპერგამტარებსა და იდეალურ გამტარებს შორის ერთ-ერთი მთავარი განსხვავებაა მაისნერის ეფექტი, რომელიც აღმოაჩინეს ვალტერ მეისნერმა და რობერტ ოქსენფელდმა 1933 წელს.

მოგვიანებით გაირკვა, რომ ზეგამტარები იყოფა ორ დიდ ოჯახად: I ტიპის სუპერგამტარები (რომლებიც, კერძოდ, მოიცავს ვერცხლისწყალს) და ტიპი II (რომლებიც, როგორც წესი, სხვადასხვა ლითონების შენადნობებია). L.V. შუბნიკოვის მუშაობამ 1930-იან წლებში და A.A. Abrikosov-მა 1950-იან წლებში მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა II ტიპის სუპერგამტარობის აღმოჩენაში.

მაღალი სიმძლავრის ელექტრომაგნიტებში პრაქტიკული გამოყენებისთვის დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა 1950-იან წლებში ზეგამტარების აღმოჩენას, რომელსაც შეეძლო გაუძლოს ძლიერ მაგნიტურ ველებს და გადასცეს მაღალი დენის სიმკვრივე. ამგვარად, 1960 წელს ჯ. კუნცლერის ხელმძღვანელობით აღმოაჩინეს Nb 3 Sn მასალა, საიდანაც მავთულს შეუძლია 100 kA/cm² სიმკვრივის დენის გავლა 4,2 კ ტემპერატურაზე. მაგნიტური ველი 8,8 ტ.

2015 წელს დაფიქსირდა ახალი რეკორდი ტემპერატურაზე, რომლის დროსაც მიიღწევა ზეგამტარობა. H 2 S-სთვის (წყალბადის სულფიდი) 100 გპა წნევის დროს, ზეგამტარი გადასვლა დაფიქსირდა 203 K (-70 ° C) ტემპერატურაზე.

კლასიფიკაცია

სუპერგამტარების კლასიფიკაციის რამდენიმე კრიტერიუმი არსებობს. აქ არის მთავარი:

სუპერგამტარების თვისებები

ნულოვანი ელექტრული წინააღმდეგობა

პირდაპირი ელექტრული დენისთვის ზეგამტარის ელექტრული წინააღმდეგობა ნულის ტოლია. ეს აჩვენეს ექსპერიმენტში, სადაც ელექტრული დენი იყო გამოწვეული დახურულ ზეგამტარში, რომელიც მიედინებოდა მასში შესუსტების გარეშე 2,5 წლის განმავლობაში (ექსპერიმენტი შეწყდა კრიოგენული სითხეების მიმწოდებელი მუშების გაფიცვით).

სუპერგამტარები მაღალი სიხშირის სფეროში

მკაცრად რომ ვთქვათ, განცხადება, რომ სუპერგამტარების წინააღმდეგობა ნულის ტოლია, მართალია მხოლოდ პირდაპირი ელექტრული დენისთვის. ალტერნატიულ ელექტრულ ველში ზეგამტარის წინააღმდეგობა ნულოვანია და იზრდება ველის სიხშირის მატებასთან ერთად. ეს ეფექტი, ზეგამტარის ორი სითხის მოდელის ენაზე, აიხსნება ელექტრონების ზეგამტარ ფრაქციასთან ერთად ჩვეულებრივი ელექტრონების არსებობით, რომელთა რაოდენობა, თუმცა, მცირეა. ზეგამტარის მუდმივ ველში მოთავსებისას ზეგამტარის შიგნით ეს ველი ნულდება, რადგან წინააღმდეგ შემთხვევაში ზეგამტარი ელექტრონები აჩქარდებიან უსასრულობამდე, რაც შეუძლებელია. თუმცა, ალტერნატიული ველის შემთხვევაში, ზეგამტარის შიგნით ველი არ არის ნულოვანი და ასევე აჩქარებს ნორმალურ ელექტრონებს, რომელთანაც დაკავშირებულია როგორც სასრული ელექტრული წინააღმდეგობა, ასევე ჯოულის თერმული დანაკარგები. ეს ეფექტი განსაკუთრებით გამოხატულია სინათლის ისეთ სიხშირეებზე, რომლებისთვისაც კვანტური ენერგიაა h ν (\displaystyle h\nu)საკმარისია ზეგამტარი ელექტრონის ნორმალური ელექტრონების ჯგუფში გადასატანად. ეს სიხშირე ჩვეულებრივ დევს ინფრაწითელ რეგიონში (დაახლოებით 10 11 ჰც), ამიტომ, ხილულ დიაპაზონში, სუპერგამტარები პრაქტიკულად არ განსხვავდება ჩვეულებრივი ლითონებისგან.

ფაზის გადასვლა ზეგამტარ მდგომარეობაში

ამჟამად HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) ფაზას აქვს კრიტიკული ტემპერატურის ყველაზე ცნობილი მნიშვნელობა - 135 K, ხოლო 350 ათასი ატმოსფეროს გარე წნევის დროს გარდამავალი ტემპერატურა იზრდება 164 K-მდე, რაც მხოლოდ 19 K-ით დაბალია დედამიწის ზედაპირზე ბუნებრივ პირობებში დაფიქსირებულ მინიმალურ ტემპერატურაზე. ამგვარად, ზეგამტარები თავიანთი განვითარების პროცესში მეტალური ვერცხლისწყლიდან (4,15 K) გადავიდნენ ვერცხლისწყლის შემცველ მაღალტემპერატურულ ზეგამტარებამდე (164 K). 2000 წელს აჩვენეს, რომ ზემოაღნიშნული ვერცხლისწყლის კერამიკის უმნიშვნელო ფტორირება საშუალებას გაძლევთ გაზარდოთ კრიტიკული ტემპერატურა ნორმალურ წნევაზე 138 კ-მდე.

ნივთიერების ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლას თან ახლავს მისი თერმული თვისებების ცვლილება. თუმცა, ეს ცვლილება დამოკიდებულია ზეგამტარების ტიპზე. ამრიგად, I ტიპის ზეგამტარებისთვის მაგნიტური ველის არარსებობის შემთხვევაში გარდამავალ ტემპერატურაზე ტ გგარდამავალი სიცხე (შეწოვა ან გათავისუფლება) მიდის ნულამდე და, შესაბამისად, განიცდის სითბურ სიმძლავრის ნახტომს, რაც დამახასიათებელია II ტიპის ფაზური გადასვლისთვის. სუპერგამტარის ელექტრონული ქვესისტემის სითბოს სიმძლავრის ტემპერატურული დამოკიდებულება მიუთითებს ელექტრონების განაწილებაში ენერგიის უფსკრულის არსებობაზე სუპერგამტარის საფუძველსა და ელემენტარული აგზნების დონეს შორის. როდესაც სუპერგამტარი მდგომარეობიდან ნორმალურ მდგომარეობაში გადასვლა ხორციელდება გამოყენებული მაგნიტური ველის შეცვლით, მაშინ სითბო უნდა შეიწოვოს (მაგალითად, თუ ნიმუში თერმულად იზოლირებულია, მაშინ მისი ტემპერატურა მცირდება). და ეს შეესაბამება 1-ლი რიგის ფაზურ გადასვლას. II ტიპის ზეგამტარებისთვის, ზეგამტარი მდგომარეობიდან ნორმალურ მდგომარეობაში გადასვლა ნებისმიერ პირობებში იქნება II ტიპის ფაზური გადასვლა.

მაისნერის ეფექტი

ზეგამტარის კიდევ უფრო მნიშვნელოვანი თვისება, ვიდრე ნულოვანი ელექტრული წინააღმდეგობა, არის ეგრეთ წოდებული მაისნერის ეფექტი, რომელიც შედგება ზეგამტარისგან მუდმივი მაგნიტური ველის გადაადგილებისგან. ამ ექსპერიმენტული დაკვირვებით, დასკვნა ხდება, რომ სუპერგამტარის შიგნით არის მუდმივი დენები, რომლებიც ქმნიან შიდა მაგნიტურ ველს, რომელიც საპირისპიროა გარე გამოყენებული მაგნიტური ველისა და აკომპენსირებს მას.

იზოტოპური ეფექტი

იზოტოპური ეფექტიზეგამტარებისთვის ეს არის ტემპერატურა თ სუკუპროპორციულია იმავე ზეგამტარი ელემენტის იზოტოპების ატომური მასების კვადრატულ ფესვებთან. შედეგად, მონოიზოტოპური პრეპარატები კრიტიკულ ტემპერატურებში გარკვეულწილად განსხვავდება ბუნებრივი ნარევისგან და ერთმანეთისგან.

ლონდონის მომენტი

მბრუნავი ზეგამტარი წარმოქმნის მაგნიტურ ველს, რომელიც ზუსტად შეესაბამება ბრუნვის ღერძს, მიღებულ მაგნიტურ მომენტს ეწოდება "ლონდონის მომენტი". იგი გამოიყენებოდა, კერძოდ, Gravity Probe B სამეცნიერო თანამგზავრში, სადაც გაზომეს ოთხი სუპერგამტარი გიროსკოპის მაგნიტური ველი მათი ბრუნვის ღერძების დასადგენად. იმის გამო, რომ გიროსკოპების როტორები თითქმის იდეალურად გლუვი სფეროები იყო, ლონდონის მომენტის გამოყენება იყო მათი ბრუნვის ღერძის განსაზღვრის ერთ-ერთი რამდენიმე გზა.

ლონდონის გრავიტომაგნიტური მომენტი

ზეგამტარის მბრუნავი და ამავდროულად აჩქარებული, ანუ რევოლუციების სიხშირის გაზრდის რგოლი წარმოქმნის გრავიტაციულ ველს. ლონდონის გრავიტომაგნიტურ მომენტთან დაკავშირებული ექსპერიმენტები ჩაატარეს ავსტრიული კომპანია ARC Seibersdorf Research-ის მარტინ ტაჯმარმა და ევროპის კოსმოსური სააგენტოს (ESA) კლოვის დე მატოსმა 2006 წელს. ექსპერიმენტატორებმა პირველად გაზომეს ამ გზით ხელოვნურად შექმნილი გრავიტომაგნიტური ველი. ტაჯმარი და დე მატოსი თვლიან, რომ ეს ეფექტი ხსნის საიდუმლოებას კუპერის წყვილების მასას შორის, რომლებიც ადრე იყო გაზომილი მაღალი სიზუსტით (ეს არის ელექტრონები, რომლებიც უზრუნველყოფენ გამტარობას სუპერგამტარში) და ქაღალდზე მიღებულ იმავე მასას შორის - კვანტური თეორიის გამოთვლებით. .

მკვლევარებმა ექსპერიმენტულად აღმოჩენილ გრავიტაციულ ეფექტს უწოდეს "გრავიტომაგნიტური ლონდონის მომენტი", ანალოგიური მაგნიტური ეფექტის ანალოგიით: მაგნიტური ველის გაჩენა სუპერგამტარის ბრუნვის დროს, რომელსაც "ლონდონის მომენტი" უწოდეს.

ამ გზით გამოწვეული ველი 100 მილიონჯერ სუსტი იყო, ვიდრე დედამიწის გრავიტაციული ველი. და მიუხედავად იმისა, რომ ეს ეფექტი იწინასწარმეტყველა ფარდობითობის ზოგადი თეორიით, ველის სიძლიერე აღმოჩნდა 20 ბრძანებით უფრო ძლიერი ვიდრე გამოთვლილი მნიშვნელობა.

ზეგამტარობის ეფექტის თეორიული ახსნა

ამჟამად აკლია ზეგამტარობის სრულიად დამაკმაყოფილებელი მიკროსკოპული თეორია.

ზეგამტარობის შესწავლის უკვე შედარებით ადრეულ ეტაპზე, გინზბურგ-ლანდაუს თეორიის შექმნის შემდეგ მაინც, აშკარა გახდა, რომ ზეგამტარობა არის გამტარი ელექტრონების მაკროსკოპული რაოდენობის გაერთიანების შედეგი ერთ კვანტურ მექანიკურ მდგომარეობაში. ასეთ ანსამბლში შეკრული ელექტრონების თავისებურება ის არის, რომ მათ არ შეუძლიათ ენერგიის გაცვლა გისოსთან მცირე ნაწილებში, ნაკლებია ვიდრე მათი შეკვრის ენერგია ანსამბლში. ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ელექტრონები მოძრაობენ ბროლის ბადეში, ელექტრონების ენერგია არ იცვლება და ნივთიერება იქცევა ზეგამტარივით ნულოვანი წინააღმდეგობის მქონე. კვანტური მექანიკური ანალიზი აჩვენებს, რომ ამ შემთხვევაში არ ხდება ელექტრონული ტალღების გაფანტვა გისოსის თერმული ვიბრაციებით ან მინარევებით. და ეს ნიშნავს ელექტრული წინააღმდეგობის არარსებობას. ფერმიონთა ანსამბლში ნაწილაკების ასეთი კომბინაცია შეუძლებელია. დამახასიათებელია იდენტური ბოზონების ანსამბლისთვის. ის ფაქტი, რომ ზეგამტარებში ელექტრონები გაერთიანებულია ბოზონურ წყვილებში, გამომდინარეობს ექსპერიმენტებიდან, რომლებიც გაზომავენ მაგნიტური ნაკადის კვანტის სიდიდეს, რომელიც „გაყინულია“ ღრუ ზეგამტარ ცილინდრებში. ამიტომ, უკვე მე-20 საუკუნის შუა ხანებში, სუპერგამტარობის თეორიის შექმნის მთავარი ამოცანა იყო ელექტრონების დაწყვილების მექანიზმის შემუშავება. პირველი თეორია, რომელიც ამტკიცებდა ზეგამტარობის მიზეზების მიკროსკოპულ ახსნას, იყო მათ მიერ მე-20 საუკუნის 50-იან წლებში შექმნილი ბარდინ - კუპერ - შრიფერის თეორია. ამ თეორიამ მიიღო საყოველთაო აღიარება სახელწოდებით BCS და მიენიჭა ნობელის პრემია 1972 წელს. მათი თეორიის შექმნისას ავტორები ეყრდნობოდნენ იზოტოპურ ეფექტს, ანუ იზოტოპის მასის გავლენას ზეგამტარის კრიტიკულ ტემპერატურაზე. ითვლებოდა, რომ მისი არსებობა პირდაპირ მიუთითებს ზეგამტარი მდგომარეობის ფორმირებაზე ფონონის მექანიზმის მუშაობის გამო.

BCS თეორიამ რამდენიმე კითხვა უპასუხოდ დატოვა. მის საფუძველზე შეუძლებელი აღმოჩნდა მთავარი პრობლემის გადაჭრა - იმის ახსნა, თუ რატომ აქვთ კონკრეტულ სუპერგამტარებს ესა თუ ის კრიტიკული ტემპერატურა. გარდა ამისა, იზოტოპურ ჩანაცვლებებთან შემდგომმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ლითონებში იონების ნულოვანი რხევების არაჰარმონიულობის გამო, იონური მასის პირდაპირი ზემოქმედებაა გისოსის შუალედურ მანძილებზე და, შესაბამისად, პირდაპირ ფერმის ენერგიაზე. ლითონი. ამრიგად, გაირკვა, რომ იზოტოპური ეფექტის არსებობა არ არის ფონონის მექანიზმის მტკიცებულება, როგორც ერთადერთი შესაძლო, რომელიც პასუხისმგებელია ელექტრონების დაწყვილებაზე და ზეგამტარობის წარმოქმნაზე. შემდგომ წლებში BCS თეორიით უკმაყოფილებამ გამოიწვია სხვა მოდელების შექმნის მცდელობები, როგორიცაა სპინის რყევის მოდელი და ბიპოლარონის მოდელი. თუმცა, მიუხედავად იმისა, რომ მათ განიხილეს ელექტრონების წყვილებად გაერთიანების სხვადასხვა მექანიზმი, ამ განვითარებამ ასევე არ გამოიწვია პროგრესი სუპერგამტარობის ფენომენის გაგებაში.

BCS თეორიის მთავარი პრობლემა არის , რომელიც ამ თეორიით ვერ აღწერს.

ზეგამტარობის გამოყენება

მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარობის მოპოვებაში. ლითონის კერამიკის საფუძველზე, მაგალითად, შემადგენლობა YBa 2 Cu 3 O x, მიღებულია ნივთიერებები, რომლებისთვისაც ტემპერატურა ტ გზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლა აღემატება 77 K-ს (აზოტის გათხევადების ტემპერატურა). სამწუხაროდ, თითქმის ყველა მაღალტემპერატურული ზეგამტარი არ არის ტექნოლოგიურად მოწინავე (მყიფე, არ გააჩნია სტაბილური თვისებები და ა.შ.), რის შედეგადაც ნიობიუმის შენადნობებზე დაფუძნებული ზეგამტარები კვლავ ძირითადად გამოიყენება ტექნოლოგიაში.

ზეგამტარობის ფენომენი გამოიყენება ძლიერი მაგნიტური ველების წარმოებისთვის (მაგალითად, ციკლოტრონებში), რადგან არ არის თერმული დანაკარგები სუპერგამტარში ძლიერი დენების გავლისას, რაც ქმნის ძლიერ მაგნიტურ ველებს. თუმცა იმის გამო, რომ მაგნიტური ველი ანადგურებს ზეგამტარობის მდგომარეობას, ძლიერი მაგნიტური ველების მისაღებად გამოიყენება ეგრეთ წოდებული მაგნიტური ველები. II ტიპის ზეგამტარები, რომლებშიც შესაძლებელია ზეგამტარობისა და მაგნიტური ველის თანაარსებობა. ასეთ ზეგამტარებში, მაგნიტური ველი იწვევს ნიმუშში შემავალი ჩვეულებრივი ლითონის თხელი ძაფების გამოჩენას, რომელთაგან თითოეული ატარებს მაგნიტური ნაკადის კვანტს (აბრიკოსოვის მორევები). ძაფებს შორის არსებული ნივთიერება რჩება ზეგამტარი. ვინაიდან II ტიპის ზეგამტარებში არ არის სრული მეისნერის ეფექტი, ზეგამტარობა არსებობს მაგნიტური ველის გაცილებით მაღალ მნიშვნელობებამდე. ჰ გ 2. ტექნოლოგიაში ძირითადად გამოიყენება შემდეგი ზეგამტარები:

მინიატურული ზეგამტარი რგოლის მოწყობილობები - SQUIDS, რომელთა მოქმედება დაფუძნებულია მაგნიტური ნაკადისა და ძაბვის ცვლილებებს შორის კავშირზე, გვხვდება მნიშვნელოვან აპლიკაციებში. ისინი ულტრამგრძნობიარე მაგნიტომეტრების ნაწილია, რომელიც ზომავს დედამიწის მაგნიტურ ველს და ასევე გამოიყენება მედიცინაში სხვადასხვა ორგანოების მაგნიტოგრამების მისაღებად.

სუპერგამტარები ასევე გამოიყენება მაგლევებში.

ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლის ტემპერატურის დამოკიდებულების ფენომენი მაგნიტური ველის სიდიდეზე გამოიყენება კრიოტრონებში - კონტროლირებად წინააღმდეგობებში.

იხილეთ ასევე

შენიშვნები

ზეგამტარობის აღმოჩენა - თავი J. Trigg-ის წიგნიდან "მე-20 საუკუნის ფიზიკა: ძირითადი ექსპერიმენტები"
დირკ ვან დელფტი და პიტერ კესი.

ზეგამტარობა

ზეგამტარობა- ზოგიერთი მასალის ქონა მკაცრად ნულოვანიელექტრული წინააღმდეგობა, როდესაც ისინი მიაღწევენ გარკვეულ მნიშვნელობას (კრიტიკული ტემპერატურა) ქვემოთ ტემპერატურას. ცნობილია რამდენიმე ათეული სუფთა ელემენტი, შენადნობები და კერამიკა, რომლებიც გარდაიქმნება ზეგამტარ მდგომარეობაში. სუპერგამტარობა კვანტური ფენომენია. მას ასევე ახასიათებს მაისნერის ეფექტი, რომელიც შედგება მაგნიტური ველის სრულ გადაადგილებაში ზეგამტარის მოცულობიდან. ამ ეფექტის არსებობა გვიჩვენებს, რომ ზეგამტარობა უბრალოდ არ შეიძლება იყოს აღწერილი სრულყოფილი გამტარობაკლასიკური გაგებით.

1893 წელს ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა ჰეიკე კამერლინგ ონესმა დაიწყო ულტრა დაბალი ტემპერატურის პრობლემის შესწავლა. მან მოახერხა მსოფლიოში საუკეთესო კრიოგენული ლაბორატორიის შექმნა, რომელშიც 1908 წლის 10 ივლისს თხევადი ჰელიუმი მიიღო. მოგვიანებით მან მოახერხა მისი ტემპერატურის 1 კელვინამდე მიყვანა. კამერლინგ ონესმა გამოიყენა თხევადი ჰელიუმი ლითონების თვისებების შესასწავლად, კერძოდ მათი ელექტრული წინააღმდეგობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულების გასაზომად. იმ დროს არსებული კლასიკური თეორიების მიხედვით, წინააღმდეგობა თანდათან უნდა დაეცეს ტემპერატურის კლებასთან ერთად, მაგრამ ასევე იყო მოსაზრება, რომ ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე ელექტრონები პრაქტიკულად შეჩერდებოდნენ და საერთოდ შეწყვეტდნენ დენის გატარებას. კამერლინგ ონესის მიერ მის თანაშემწეებთან კორნელის დორსმანთან და ჟილ ჰოლსტთან ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა თავდაპირველად დაადასტურა დასკვნა წინააღმდეგობის გლუვი შემცირების შესახებ. თუმცა, 1911 წლის 8 აპრილს მან მოულოდნელად აღმოაჩინა, რომ 3 კელვინზე (დაახლოებით -270 °C) ელექტრული წინააღმდეგობა პრაქტიკულად ნულის ტოლია. მომდევნო ექსპერიმენტმა, რომელიც ჩატარდა 11 მაისს, აჩვენა, რომ მკვეთრი ნახტომი წინააღმდეგობის ნულამდე ხდება დაახლოებით 4,2 K ტემპერატურაზე (მოგვიანებით, უფრო ზუსტმა გაზომვებმა აჩვენა, რომ ეს ტემპერატურა არის 4,15 K). ეს ეფექტი სრულიად მოულოდნელი იყო და ვერ აიხსნებოდა მაშინდელი არსებული თეორიებით.

მაღალი სიმძლავრის ელექტრომაგნიტებში პრაქტიკული გამოყენებისთვის დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა 1950-იან წლებში ზეგამტარების აღმოჩენას, რომლებსაც შეეძლოთ გაუძლო ძლიერ მაგნიტურ ველებს და ატარებდნენ მაღალი დენის სიმკვრივეს. ამგვარად, 1960 წელს ჯ. კუნცლერის ხელმძღვანელობით აღმოაჩინეს Nb 3 Sn მასალა, საიდანაც მავთულს შეუძლია 100 kA/cm² სიმკვრივის დენის გავლა 4,2 კ ტემპერატურაზე. მაგნიტური ველი 8,8 ტ.

სუპერგამტარების თვისებები

ნულოვანი ელექტრული წინააღმდეგობა

სუპერგამტარები მაღალი სიხშირის სფეროში

მკაცრად რომ ვთქვათ, განცხადება, რომ სუპერგამტარების წინააღმდეგობა ნულის ტოლია, მართალია მხოლოდ პირდაპირი ელექტრული დენისთვის. ალტერნატიულ ელექტრულ ველში ზეგამტარის წინააღმდეგობა ნულოვანია და იზრდება ველის სიხშირის მატებასთან ერთად. ეს ეფექტი, ზეგამტარის ორი სითხის მოდელის ენაზე, აიხსნება ელექტრონების ზეგამტარ ფრაქციასთან ერთად ჩვეულებრივი ელექტრონების არსებობით, რომელთა რაოდენობა, თუმცა, მცირეა. ზეგამტარის მუდმივ ველში მოთავსებისას ზეგამტარის შიგნით ეს ველი ნულდება, რადგან წინააღმდეგ შემთხვევაში ზეგამტარი ელექტრონები აჩქარდებიან უსასრულობამდე, რაც შეუძლებელია. თუმცა, ალტერნატიული ველის შემთხვევაში, ზეგამტარის შიგნით ველი არ არის ნულოვანი და ასევე აჩქარებს ნორმალურ ელექტრონებს, რომელთანაც დაკავშირებულია როგორც სასრული ელექტრული წინააღმდეგობა, ასევე ჯოულის თერმული დანაკარგები. ეს ეფექტი განსაკუთრებით გამოხატულია სინათლის ისეთ სიხშირეებზე, რომლებისთვისაც კვანტური ენერგია საკმარისია სუპერგამტარი ელექტრონის ნორმალური ელექტრონების ჯგუფში გადასატანად. ეს სიხშირე ჩვეულებრივ დევს ინფრაწითელ რეგიონში (დაახლოებით 10 11 ჰც), ამიტომ, ხილულ დიაპაზონში, სუპერგამტარები პრაქტიკულად არ განსხვავდება ჩვეულებრივი ლითონებისგან.

ფაზის გადასვლა ზეგამტარ მდგომარეობაში

სითბოს სიმძლავრის (c v, ლურჯი გრაფიკი) და წინაღობის (ρ, მწვანე) ცვლილების ბუნება სუპერგამტარ მდგომარეობაში ფაზის გადასვლისას

ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლის ტემპერატურული დიაპაზონი სუფთა ნიმუშებისთვის არ აღემატება კელვინის მეათასედს და, შესაბამისად, გარკვეული მნიშვნელობა აქვს აზრი. თ ს- ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლის ტემპერატურა. ამ რაოდენობას ე.წ კრიტიკული გარდამავალი ტემპერატურა. გარდამავალი ინტერვალის სიგანე დამოკიდებულია ლითონის ჰეტეროგენულობაზე, უპირველეს ყოვლისა, მინარევების და შიდა სტრესების არსებობაზე. ამჟამინდელი ცნობილი ტემპერატურა თ სვარირებს 0,0005 K-დან მაგნიუმისთვის (Mg) 23,2 K-მდე ნიობიუმის და გერმანიუმის მეტათაშორის ნაერთებისთვის (Nb 3 Ge, ფილმში) და 39 K მაგნიუმის დიბორიდისთვის (2) დაბალი ტემპერატურის ზეგამტარებისთვის ( თ ს 77 K-ზე ქვემოთ, თხევადი აზოტის დუღილის წერტილი), დაახლოებით 135 K-მდე ვერცხლისწყლის შემცველი მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარებისთვის. ამჟამად HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) ფაზას აქვს კრიტიკული ტემპერატურის ყველაზე ცნობილი მნიშვნელობა - 135 K, ხოლო 350 ათასი ატმოსფეროს გარე წნევის დროს გარდამავალი ტემპერატურა იზრდება 164 K-მდე, რაც მხოლოდ 19 K-ით დაბალია დედამიწის ზედაპირზე ბუნებრივ პირობებში დაფიქსირებულ მინიმალურ ტემპერატურაზე. ამგვარად, ზეგამტარები თავიანთი განვითარების პროცესში მეტალური ვერცხლისწყლიდან (4,15 K) გადავიდნენ ვერცხლისწყლის შემცველ მაღალტემპერატურულ ზეგამტარებამდე (164 K).

ნივთიერების ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლას თან ახლავს მისი თერმული თვისებების ცვლილება. თუმცა, ეს ცვლილება დამოკიდებულია ზეგამტარების ტიპზე. ამრიგად, I ტიპის ზეგამტარებისთვის მაგნიტური ველის არარსებობის შემთხვევაში გარდამავალ ტემპერატურაზე ტ გგარდამავალი სიცხე (შეწოვა ან გათავისუფლება) ხდება ნულოვანი და, შესაბამისად, განიცდის სითბურ სიმძლავრის ნახტომს, რაც დამახასიათებელია ΙΙ ტიპის ფაზური გადასვლისთვის. სუპერგამტარის ელექტრონული ქვესისტემის სითბოს სიმძლავრის ტემპერატურული დამოკიდებულება მიუთითებს ელექტრონების განაწილებაში ენერგიის უფსკრულის არსებობაზე სუპერგამტარის საფუძველსა და ელემენტარული აგზნების დონეს შორის. როდესაც სუპერგამტარი მდგომარეობიდან ნორმალურ მდგომარეობაში გადასვლა ხორციელდება გამოყენებული მაგნიტური ველის შეცვლით, მაშინ სითბო უნდა შეიწოვოს (მაგალითად, თუ ნიმუში თერმულად იზოლირებულია, მაშინ მისი ტემპერატურა მცირდება). და ეს შეესაბამება 1-ლი რიგის ფაზურ გადასვლას. II ტიპის ზეგამტარებისთვის, ზეგამტარი მდგომარეობიდან ნორმალურ მდგომარეობაში გადასვლა ნებისმიერ პირობებში იქნება II ტიპის ფაზური გადასვლა.

მაისნერის ეფექტი

ზეგამტარის კიდევ უფრო მნიშვნელოვანი თვისება, ვიდრე ნულოვანი ელექტრული წინააღმდეგობა, არის ეგრეთ წოდებული მაისნერის ეფექტი, რომელიც შედგება ზეგამტარის მიერ მაგნიტური ნაკადისგან. ამ ექსპერიმენტული დაკვირვებით, დასკვნა ხდება, რომ სუპერგამტარის შიგნით არის მუდმივი დენები, რომლებიც ქმნიან შიდა მაგნიტურ ველს, რომელიც საპირისპიროა გარე გამოყენებული მაგნიტური ველისა და აკომპენსირებს მას.

იზოტოპური ეფექტი

იზოტოპური ეფექტიზეგამტარებისთვის ეს არის ტემპერატურა თ სუკუპროპორციულია იმავე ზეგამტარი ელემენტის იზოტოპების ატომური მასების კვადრატულ ფესვებთან.

ლონდონის მომენტი

მბრუნავი ზეგამტარი წარმოქმნის მაგნიტურ ველს, რომელიც ზუსტად შეესაბამება ბრუნვის ღერძს, მიღებულ მაგნიტურ მომენტს ეწოდება "ლონდონის მომენტი". იგი გამოიყენებოდა, კერძოდ, სამეცნიერო თანამგზავრში "Gravity Probe B", სადაც გაზომეს ოთხი სუპერგამტარი გიროსკოპის მაგნიტური ველი მათი ბრუნვის ღერძის დასადგენად. ვინაიდან გიროსკოპების როტორები თითქმის იდეალურად გლუვი სფეროები იყო, ლონდონის მომენტის გამოყენება იყო მათი ბრუნვის ღერძის განსაზღვრის რამდენიმე გზა.

ზეგამტარობის ეფექტის თეორიული ახსნა

ზეგამტარობის შესწავლის უკვე შედარებით ადრეულ ეტაპზე, გინზბურგ-ლანდაუს თეორიის შექმნის შემდეგ მაინც, აშკარა გახდა, რომ ზეგამტარობა არის გამტარი ელექტრონების მაკროსკოპული რაოდენობის გაერთიანების შედეგი ერთ კვანტურ მექანიკურ მდგომარეობაში. ასეთ ანსამბლში შეკრული ელექტრონების თავისებურება ის არის, რომ მათ არ შეუძლიათ ენერგიის გაცვლა გისოსთან მცირე ნაწილებში, ნაკლებია ვიდრე მათი შეკვრის ენერგია ანსამბლში. ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ელექტრონები მოძრაობენ ბროლის ბადეში, ელექტრონების ენერგია არ იცვლება და ნივთიერება იქცევა ზეგამტარივით ნულოვანი წინააღმდეგობის მქონე. კვანტური მექანიკური ანალიზი აჩვენებს, რომ ამ შემთხვევაში არ ხდება ელექტრონული ტალღების გაფანტვა გისოსის თერმული ვიბრაციებით ან მინარევებით. და ეს ნიშნავს ელექტრული წინააღმდეგობის არარსებობას. ფერმიონთა ანსამბლში ნაწილაკების ასეთი კომბინაცია შეუძლებელია. დამახასიათებელია იდენტური ბოზონების ანსამბლისთვის. ის ფაქტი, რომ ზეგამტარებში ელექტრონები გაერთიანებულია ბოზონურ წყვილებში, გამომდინარეობს ექსპერიმენტებიდან, რომლებიც გაზომავენ მაგნიტური ნაკადის კვანტის სიდიდეს, რომელიც „გაყინულია“ ღრუ ზეგამტარ ცილინდრებში. ამიტომ, უკვე გასული საუკუნის შუა ხანებში, ზეგამტარობის თეორიის შექმნის მთავარი ამოცანა იყო ელექტრონების დაწყვილების მექანიზმის შემუშავება. პირველი თეორია, რომელიც ამტკიცებდა ზეგამტარობის მიზეზების მიკროსკოპულ ახსნას, იყო მათ მიერ გასული საუკუნის 50-იან წლებში შექმნილი ბარდინ-კუპერ-შრიფერის თეორია. ამ თეორიამ მიიღო საყოველთაო აღიარება სახელწოდებით BCS და მიენიჭა ნობელის პრემია 1972 წელს. მათი თეორიის შექმნისას ავტორები ეყრდნობოდნენ იზოტოპის ეფექტს, ანუ იზოტოპის მასის გავლენას ზეგამტარის კრიტიკულ ტემპერატურაზე. ითვლებოდა, რომ მისი არსებობა პირდაპირ მიუთითებს ზეგამტარი მდგომარეობის ფორმირებაზე ფონონის მექანიზმის მუშაობის გამო.

სუპერგამტარების კრიტიკული ტემპერატურის გამოთვლილი მნიშვნელობების შედარება გაზომვის მონაცემებთან.

B.V. ვასილიევის მიერ შემოთავაზებული ერთ-ერთი უახლესი თეორიის თანახმად, ელექტრონების დაწყვილება არის აუცილებელი, მაგრამ არა საკმარისი პირობა სუპერგამტარი მდგომარეობის არსებობისთვის. უფრო მეტიც, რა კონკრეტული მექანიზმი იწვევს ასეთ დაწყვილებას, არც ისე მნიშვნელოვანია. მნიშვნელოვანია, რომ ასეთი მექანიზმი არსებობს და ფუნქციონირებს მთელ ტემპერატურულ დიაპაზონში, სადაც სუპერგამტარი მდგომარეობა არსებობს.

ამის მიზეზი შემდეგნაირად აიხსნება: წყვილებად გაერთიანებით ელექტრონები ქმნიან ბოზონებს, რომლებიც არ არის გაერთიანებული ერთ იდენტურ ანსამბლში. ისინი გამოირჩევიან არაკორელირებული ნულოვანი რხევებით. იმისთვის, რომ ბოზონები იდენტურ მდგომარეობაში გადავიდნენ, აუცილებელია მათი ნულოვანი წერტილის ვიბრაციების დალაგება. ამ მიზეზით, ელექტრონულ აირში ნულოვანი წერტილის რხევების მოწესრიგების მექანიზმის დამახასიათებელი პარამეტრები გადამწყვეტი აღმოჩნდება ზეგამტარების თვისებებისთვის.

ზეგამტარობის გამოყენება

სუპერგამტარობის ფენომენი გამოიყენება ძლიერი მაგნიტური ველების წარმოებისთვის, რადგან არ არის სითბოს დაკარგვა, როდესაც ძლიერი დენები გადის ზეგამტარში, რაც ქმნის ძლიერ მაგნიტურ ველებს. თუმცა იმის გამო, რომ მაგნიტური ველი ანადგურებს ზეგამტარობის მდგომარეობას, ძლიერი მაგნიტური ველების მისაღებად გამოიყენება ეგრეთ წოდებული მაგნიტური ველები. II ტიპის ზეგამტარები, რომლებშიც შესაძლებელია ზეგამტარობისა და მაგნიტური ველის თანაარსებობა. ასეთ ზეგამტარებში მაგნიტური ველი იწვევს ჩვეულებრივი ლითონის თხელი ძაფების გაჩენას, რომლებიც აღწევენ ნიმუშში, რომელთაგან თითოეული ატარებს მაგნიტური ნაკადის კვანტს. ძაფებს შორის არსებული ნივთიერება რჩება ზეგამტარი. ვინაიდან II ტიპის ზეგამტარებში არ არის სრული მეისნერის ეფექტი, ზეგამტარობა არსებობს მაგნიტური ველის გაცილებით მაღალ მნიშვნელობებამდე. ჰ გ 2. ტექნოლოგიაში ძირითადად გამოიყენება შემდეგი ზეგამტარები:

იხილეთ ასევე

ზეგამტარობა და ნულოვანი წერტილის რხევები

შენიშვნები

დირკ ვან დელფტი და პიტერ კესიზეგამტარობის აღმოჩენა (ინგლისური) // ფიზიკა დღეს. - 2010. - ტ. 63. - გვ.38-43.
ალექსეი ლევინისუპერგამტარობა აღნიშნავს თავის ასწლეულს. Elements.ru (2011 წლის 8 აპრილი). დაარქივებულია ორიგინალიდან 2011 წლის 23 აგვისტო. წაკითხვის თარიღი: 2011 წლის 8 აპრილი.
ვ.ლ.გინზბურგი, ე.ა.ანდრიუშინითავი 1. ზეგამტარობის აღმოჩენა // ზეგამტარობა. - მე-2 გამოცემა, შესწორებული და გაფართოებული. - ალფა-მ, 2006. - 112გვ. - 3000 ეგზემპლარი. - ISBN 5-98281-088-6

შეიძლება სასარგებლო იყოს წაკითხვა: